Instrumentación y control básico de procesos

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INSTRUMENTACIÓN
Y CONTROL BÁSICO
DE PROCESOS
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INSTRUMENTACIÓN
Y CONTROL BÁSICO
DE PROCESOS
JOSÉ ACEDO SÁNCHEZ
DIAZ DE SANTOS
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© José Acedo Sánchez, 2006
Reservados todos los derechos.
«No está permitida la reproducción total o parcial de este libro,
ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna
forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico
por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso
previo y por escrito de los titulares del Copyright.»
Ediciones Díaz de Santos.
E-mail: ediciones@diazdesantos.es
Internet: http://www.diazdesantos.es/ediciones
ISBN: 84-7978-759-77978-545-4
Diseño de cubierta: Ángel Calvete
Impresión: Edigrafos.
Encuadernación: Rústica-Hilo.
Impreso en España
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Depósito legal: M. 41.307-2006
Fotocomposición: Fer.
Prólogo
Aprovechando que nos encontramos en el cuarto centenario del Quijote, y que
Pepe Acedo es un manchego del Campo de Calatrava, traigo a colación un pasaje de
este libro, concretamente parte de una conversación entre don Quijote y Sancho cami-
no de la cueva de Montesinos.
«Calle señor, replicó Sancho… que para preguntar necedades y responder dispara-
tes no he de menester yo andar buscando ayuda de vecinos.
Más has dicho, Sancho, de lo que sabes, dijo Don Quijote; que hay algunos que se
cansan en saber y averiguar cosas que después de sabidas y averiguadas, no importan
un ardite al entendimiento y a la memoria». Ardite era una moneda de poco valor que
hubo antiguamente en Castilla.
Los libros «sabios» son como filtros que dejan pasar al almacén del conocimiento
únicamente lo que la buena experiencia aconseja.
Una forma de utilizar la sabiduría es, precisamente, volcar en un libro aquellos
conocimientos que una vez filtrados pasan con máximo aprovechamiento a ser pro-
piedad de los lectores.
No hay ningún sabio que no sea humilde, y la humildad no se bebe en copas de
oro ni de cristal de Bohemia, sino en jarras de barro y cacharros de loza.
El Control de Procesos y la Instrumentación, sin los cuales no habría industria, tie-
nen su fundamento y su asiento en lo más humilde de las medidas y en los conceptos
más básicos.
Este libro es un buen comienzo para aquellos que quieren ser sabios en el hermoso
oficio de la Instrumentación y el Control de Procesos.
La experiencia de Pepe Acedo ha filtrado adecuadamente el caudal de conocimien-
tos de muchos años de oficio, y el resultado es un excelente libro que nos aconsejará
siempre que dudemos sobre el camino a seguir en la aventura que es, entender, medir,
analizar, decidir y dominar los procesos mediante técnicas de Control.
«Déjate aconsejar, hermano, por quien recorrió el camino antes que tú y salió con
suerte de todos los peligros y trampas que le acecharon. Que es mejor escucharle,
seguir sus consejas y llegar a la fuente, que atender a necios que se deslumbran con
los colores y te llevan al estercolero»
DIEGO HERGUETA
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Introducción
Después de la publicación del libro «Control Avanzado de Procesos»,
algunas personas me sugirieron que haría falta un complemento relacionado
con el control básico de procesos y algo sobre circuitos desde el punto de vis-
ta práctico.
Con este ánimo me puse a escribir sobre estos temas, siempre desde la ópti-
ca de que se consoliden los fundamentos o cimientos que constituyen el con-
trol básico, sobre el cual se pueden elaborar estrategias de control avanzado y
multivariable. Por esta razón solo se incluyen aquellas fórmulas básicas nece-
sarias para ayudar a comprender o desarrollar los temas desde el punto de vis-
ta práctico.
Es muy frecuente encontrarse con técnicos con unos grandes conocimien-
tos teóricos sobre el control de procesos, transformadas de Laplace, algorit-
mos de control multivariable, etc., pero desconocen que para funcionar una
válvula automática necesita una alimentación de aire a 20 psig, la cual actúa
como fuente de energía para efectuar el recorrido proporcional a la señal de
control neumática de 3 a 15 psig.
A propósito de este tema, el profesor Cecil L. Smith menciona en el artícu-
lo «Process Engineers: Take Control», publicado en la revista Chemical
Engineering Progress de Agosto 2000, «Lo que un práctico necesita conocer
acerca de las trasformadas de Laplace puede ser enseñado en 15 minutos. Los
cursos que gastan más tiempo son cursos de matemáticas».
El libro se ha dividido en cuatro partes perfectamente diferenciadas. La pri-
mera de ellas trata sobre circuitos, con los conocimientos básicos que se han
de conocer para comprender el funcionamiento de lazos de control.
La segunda parte se denomina genéricamente cálculos, en la cual se inclu-
yen algunos de los que se utilizan en el campo de la instrumentación. En esta
parte también se incluye un apartado sobre prácticas de ingeniería que son la
recopilación de experiencias que pueden ayudar a no caer en los mismos erro-
res que han caído otras personas.
La tercera parte se dedica a explicar los conceptos básicos de algunos de
los equipos que se utilizan para llevar a cabo el control de procesos.
Por último, la cuarta parte trata del control básico propiamente dicho,
incluyendo ejemplos de cómo se deben controlar las variables de proceso.
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También se contempla un glosario de términos que siempre es útil para cono-
cer definiciones y el significado de ciertos acrónimos que se utilizan con fre-
cuencia sin saber exactamente su origen o significado.
Quiero expresar mi agradecimiento a dos compañeros, al mismo tiempo
que amigos, que me han ayudado a mejorar el contenido de este libro por
medio de ideas, correcciones y comentarios al texto original. 
- Francisco Javier Sanz Bermejo. Técnico del Departamento de Control
Avanzado y Sistemas de Repsol en la Refinería de Puertollano.
- Francisco Cifuentes Ochoa. Técnico de la Subdirección de Control
Avanzado de Repsol en Madrid.
Como último escalón, en sentido ascendente, se encuentra Diego Hergueta
G. de Ubieta, Subdirector de Control Avanzado de Repsol en Madrid, junto
con al cual formé uno de los primeros equipos de técnicos que se dedicaron a
esto del control de procesos hace ya bastantes años. Seguimos teniendo la
complicidad que da el haber pasado momentos buenos y menos buenos en el
aspecto técnico, porque en lo personal nos consideramos buenos amigos.
Igual que el libro anterior, este lo quiero dedicar a mi familia, sobre todo a
Juani por su comprensión, teniendo en cuenta las horas que he tenido que per-
manecer junto al ordenador.
PEPE ACEDO
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOSX
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Índice
PARTE I. CIRCUITOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
CAPÍTULO 1. ELECTRICIDAD BÁSICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. CONCEPTOS GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. PARÁMETROS Y LEY FUNDAMENTAL DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO . . . . 6
1.3. RESISTENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. PILAS, ACUMULADORES Y FUENTES DE ALIMENTACIÓN . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5. CAPACIDADES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.6. CAMPO MAGNÉTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.7. CORRIENTE ALTERNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
CAPÍTULO 2. ELECTRÓNICA BÁSICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2. FUENTE DE ALIMENTACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3. AMPLIFICACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4. OSCILACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5. OTROS COMPONENTES ELECTRÓNICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
CAPÍTULO 3. CIRCUITOS LÓGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2. SISTEMAS DE NUMERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3. ÁLGEBRA DE BOOLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4. PUERTAS LÓGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.5. CIRCUITOS CON REALIMENTACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.6. MULTIVIBRADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.7. CONTADORES Y TEMPORIZADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
CAPÍTULO 4. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA . . . . . . . . . . . . . 111
4.1. CONCEPTOS GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
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4.2. RECTIFICADOR DE POTENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.3. SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4. INVERSOR ESTÁTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.5. SISTEMA DE CORRIENTE ALTERNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.6. SISTEMA REDUNDANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
CAPÍTULO 5. PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.1. CONSIDERACIONES GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2. SEGURIDAD INTRÍNSECA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3. PRINCIPALES ORGANIZACIONES EN SEGURIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4. CLASIFICACIÓN DE ÁREAS PELIGROSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5. AGRUPAMIENTO DE APARATOS Y GASES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.6. CLASIFICACIÓN DE TEMPERATURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.7. MÉTODOS DE PROTECCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.8. SISTEMA DE PROTECCIÓN «IP-» EN CAJAS ENVOLVENTES . . . . . . . . . . . . 141
5.9. APARATOS EN ÁREA PELIGROSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.10. EQUIPOS EN ÁREA SEGURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.11. SISTEMAS INTRÍNSECAMENTE SEGUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.12. SEGURIDAD INTRÍNSECA CON BARRERAS ZENER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.13. SEGURIDAD INTRÍNSECA CON AISLADORES GALVÁNICOS . . . . . . . . . . . 152
5.14. REQUERIMIENTOS DE PUESTA A TIERRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.15. CABLES Y ACCESORIOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.16. ELEMENTOS DE TEMPERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.17. OPERACIONES DE MANTENIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.18. DIRECTIVAS ATEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
CAPÍTULO 6. ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS . . . . . . . . . . . . 167
6.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2. AIRE DE INSTRUMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.3. ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
CAPÍTULO 7. SIMBOLOGÍA E IDENTIFICACIÓN DE LAZOS . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.1. IDENTIFICACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.2. LÍNEAS Y FUNCIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOSXII
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ÍNDICE XIII
7.3. SÍMBOLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.4. DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
PARTE II. CÁLCULOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
CAPÍTULO 8. ERRORES EN LAS MEDIDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.2. TERMINOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.3. CLASIFICACIÓN DE ERRORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.4. PROCEDENCIA DE LOS ERRORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.5. MÉTODOS ESTADÍSTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.6. EVALUACIÓN Y CORRECCIÓN DE ERRORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.7. ERROR DE UN SISTEMA DE MEDIDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
CAPÍTULO 9. CÁLCULO DE ELEMENTOS PARA MEDIR CAUDAL . . . . . . . . . . . 227
9.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.2. PRINCIPIO DEL MÉTODO DE MEDIDA Y CÁLCULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3. FÓRMULAS DE CÁLCULO UTILIZADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.4. RANGOS Y LÍMITES DE APLICACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.5. DIAGRAMAS DE FLUJO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.6. TABLAS . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
CAPÍTULO 10. HYDROSTATIC TANK GAUGING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.1. CONCEPTOS GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.2. ECUACIONES DE CÁLCULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.3. CÁLCULO DE ERRORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.4. PRIMER EJEMPLO DE CÁLCULO DE ERRORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.5. SEGUNDO EJEMPLO DE CÁLCULO DE ERRORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
CAPÍTULO 11. PRÁCTICAS DE INGENIERÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
11.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
11.2. CAUDAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
11.3. TEMPERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
00 principios 00 ok 2/10/06 12:08 Página xiii
11.4. PRESIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.5. NIVEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
CAPÍTULO 12. FACTORES DE ESCALADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.2. COEFICIENTES PARA SUMADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
12.3. COEFICIENTES PARA MULTIPLICADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
12.4. COEFICIENTES PARA DIVISOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
PARTE III. EQUIPOS PARA CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
CAPÍTULO 13. SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.1. CONTROL ANALÓGICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.2. CONTROL DISTRIBUIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.3. SEGURIDAD DEL SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
CAPÍTULO 14. SISTEMA DE GESTIÓN DE LA SEGURIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
14.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
14.2. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
14.3. SEGURIDAD BASADA EN IEC 61508 E IEC 61511 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
14.4. SISTEMA DE ENCLAVAMIENTOS (INTERLOCK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
14.5. EJEMPLO DE SISTEMA DE ENCLAVAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
CAPÍTULO 15. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
15.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
15.2. VÁLVULAS AUTOMÁTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
15.3. VÁLVULAS MOTORIZADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
15.4. DAMPERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
CAPÍTULO 16. VARIADORES DE VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
16.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
16.2. CONCEPTOS GENERALES DEL VARIADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
16.3. EQUIPOS DE PROCESO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOSXIV
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ÍNDICE XV
PARTE IV. CONTROL BÁSICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
CAPÍTULO 17. CONTROL Y ALGORITMOS BÁSICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
17.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
17.2. DESCRIPCIÓN DE UN CONTROLADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
17.3. TIPOS DE ECUACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
17.4. ALGORITMOS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
17.5. ALGORITMOS AUXILIARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
CAPÍTULO 18. MEDIDA Y CONTROL DE VARIABLES BÁSICAS . . . . . . . . . . . . . . 427
18.1. VARIABLES BÁSICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
18.2. MEDIDA Y CONTROL DE CAUDAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
18.3. MEDIDA Y CONTROL DE NIVEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
18.4. MEDIDA Y CONTROL DE PRESIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
18.5. MEDIDA Y CONTROL DE TEMPERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
CAPÍTULO 19. CONTROL CON VÁLVULAS EN SERIE Y PARALELO . . . . . . . . . . 469
19.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
19.2. VÁLVULAS EN PARALELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
19.3. VÁLVULAS EN RANGO PARTIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
19.4. VÁLVULAS EN OPOSICIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
19.5. REFLUJOS CIRCULANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
CAPÍTULO 20. GLOSARIO DE TÉRMINOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
ÍNDICE TEMÁTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
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PARTE I
CIRCUITOS
Electricidad básica
1.1. Conceptos generales
En primer lugar hay que hacer constar que este capítulo está enfocado hacia el téc-
nico de control, quien, en muchos casos, tiene una formación académica en la que
puede que se haya tratado esta materia de manera superficial o excesivamente teórica.
Como consecuencia se verán aspectos prácticos, y en particular aquellos que pueden
ser aplicados a los sistemas de medición y control de procesos industriales.
Por otro lado, y también debido al enfoque de este capítulo, se van a tratar funda-
mentalmente conceptos relacionados con los circuitos de corriente continua, puesto
que los utilizados en los sistemas de medición y control suelen ser de este tipo. Se
incluyen además algunos conceptos básicos sobre corriente alterna.
No se trata, por tanto, de un capítulo para especialistas en circuitos eléctricos, sino
justamente lo contrario, para especialistas en control de procesos, los cuales necesitan
conocer el funcionamiento de los diferentes elementos que componen los lazos de
control.
1.1.1. El circuito eléctrico
En este apartado se van a considerar los elementos esenciales a partir de los cuales
se pueden deducir las leyes fundamentales de la corriente eléctrica. Por tanto, es con-
veniente empezar indicando cuáles son estos elementos esenciales en una instalación.
En primer lugar, es necesario que la corriente continua se genere en alguna parte, por
lo que todo circuito dispone de un generador. En los sistemas de medición y control el
generador lo suelen constituir fuentes de alimentación con una diferencia de potencial
(ddp) entre bornes de 24 Vcc (voltios de corriente continua).
El segundo elemento que forma el circuito es el receptor, donde se lleva a cabo la
utilización de la corriente eléctrica. En los sistemas de control los receptores son los
transmisores, convertidores, controladores, etc.
El tercer elemento esencial del circuito son los conductores, los cuales transportan
la corriente eléctrica entre generador y receptor, con lo que deben tener una sección
1
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS4
adecuada para el consumo de los receptores. Para que la corriente circule por el cir-
cuito eléctrico son necesarios dos hilos o conductores. Uno de ellos hace que la
corriente fluya entre el generador y receptor y se denomina conductor «de ida» y otro
hace que fluya desde el receptor al generador y se denomina conductor «de vuelta».
Por último queda otro componente que se destina a cerrar o abrir la comunicación
entre generador y receptor. Se trata del interruptor.
La Figura 1.1A muestra un circuito eléctrico fundamental donde aparecen los ele-
mentos mencionados. A veces se sustituye el hilo de vuelta por conexiones a tierra o es-
tructuras metálicas, quedando solo el conductor de ida, tal como muestra la Figura 1.1B.
Este último es un caso típico de utilización en la instalación eléctrica de automóviles.
1.1.2. La corriente eléctrica
Partiendo del generador, la «electricidad» que recorre el circuito de la Figura 1.1
está constituida por electrones. Según la teoría electrónica, cada átomo se compone de
un núcleo y un número de electrones situados en capas a su alrededor. A su vez, los
electrones pueden estar libres o asociados. Los asociados no pueden romper su unión
con el núcleo, mientras que los libres pueden circular libremente de un átomo a otro.
Cuando un átomo dispone de electrones en exceso o defecto se dice que se encuentra
cargado eléctricamente.
De acuerdo a la teoría electrónica, los electrones siempre son negativos, mientras
que el núcleo es positivo. Si un átomo contiene exceso de electrones tendrá carga
negativa, y si tiene defecto de electrones tendrá carga positiva.
La corriente eléctrica se establece por el movimiento de los electrones cuando el
circuito se somete a una diferencia de potencial. La dirección positiva coincide con la
utilizada desde tiempos antiguos en la disociación electrónica, en la cual los metales
disociados tienen carga positiva y se dirigen hacia el cátodo, que tiene carga negativa.
Como se ha dicho, los electrones tienen carga negativa, de forma que el sentido asig-
nado a la corriente eléctrica no coincide con el sentido de movimiento de los electro-
nes, puesto que estos se dirigen o son atraídos por el polo positivo.
Como resumen, es habitual decir que la corriente circula del positivo al negativo,
mientras que los electrones se desplazan justo en sentido contrario, tal como muestra
la Figura 1.2.
Cuando la electricidad se mueve por los conductores se producen fenómenos simi-
lares a los que ocurren cuando un fluido hidráulico circula por una tubería. Por tanto,
se puede comparar la electricidad en movimiento con la circulación de ese fluido.
Figura 1.1
ELECTRICIDAD BÁSICA
En el punto A, una bomba eleva el agua desde la cota 1 hasta la cota 2, desde don-
de el agua cae por una tubería hasta el punto 3. En este punto cae bruscamente hasta el
punto 4, atravesando una turbina, o receptor, que se pone en movimiento para efectuar
un trabajo utilizable. Desde aquí vuelve al punto de origen 1 pasando por otra tubería
inclinada.
Supongamos ahora que Q es la masa de agua (kg) elevada por la bomba durante
un tiempo de t segundos, y H1 es la diferencia en metros entre los puntos 1 y 2.
• Q/t representa el caudal de agua a través de la turbina.
• H1 es la presión o altura hidrostática entre los puntos 1 y 2.
El trabajo efectuado será: T = Q * H1 kgmetros
y la potencia en el punto A: W1 = T/t kgmetros/s
o lo que es igual: W1 = (Q/t) * H1 kgmetros/s
Al caer el agua libremente por la tubería, desde el punto 2 al punto 3, se produce
pérdida de carga o caída de presión, por lo que en el punto 3 la altura disponible, o
diferencia de presión, H2 será menor que la H1. La pérdida de carga será:
DH = H1 – H2 metros
En el punto de destino B, la potencia utilizable será:
W2 = (Q/t) * H2 kgmetros/s
5
Figura 1.2
Figura 1.3
La Figura 1.3 muestra una instalación hidráulica destinada a transportar energía
desde un punto A hasta otro B.
Se deduce que en la tubería existe una pérdida de potencial:
DW = (Q/t) * (H1 – H2) kgmetros/s
También se podría decir que la bomba necesita impulsar el fluido con una presión
igual a la necesaria en el punto 3 más la pérdida de carga que se ocasiona por el roza-
miento del fluido en el interior de la tubería. La suma de ambas será igual a la presión
en el punto 2.
Sin necesidad de entrar en más detalles y como resumen, en el circuito hidráulico
se tiene:
• Diferencia de nivel, o presión (m)
• Cantidad de agua transportada (kg)
• Caudal de agua (kg/s)
Esta composición se puede comparar con la que aparece en la Figura 1.1A, en la
que el generador proporciona una diferencia de nivel eléctrico entre sus extremos,
haciendo que circule una corriente eléctrica que transporta una cantidad de electrici-
dad por los conductores, donde se produce una pérdida de tensión y por tanto de
potencia. La pérdida de tensión se debe a la caída que se produce como consecuencia
de la resistencia que ofrecen los conductores de acuerdo a la ley de Ohm, que se verá
más adelante. El receptor transforma la energía transportada de acuerdo al diseño para
el cual ha sido realizado, por ejemplo convirtiéndola en trabajo mecánico. Como con-
secuencia, la energía eléctrica mencionada en este ejemplo se caracteriza por:
• Diferencia de potencial, o tensión (voltios)
• Cantidad de electricidad (culombios)
• Intensidad de la corriente eléctrica (culombios/s = amperios)
En los apartados siguientes se verán con algo más de detalle cada uno de estos
parámetros.
1.2. Parámetros y ley fundamental de un circuito eléctrico
1.2.1. Diferencia de potencial
De forma general la ddp es la diferencia de tensión entre dos puntos cualesquiera
de un circuito eléctrico. Tomando como referencia el generador de la Figura 1.1, la
ddp es la diferencia de nivel eléctrico entre los extremos del mismo y se mide en vol-
tios. El concepto de ddp se aplica, por tanto,al circuito externo y no se debe confundir
con la fuerza electromotriz (fem) del generador. Cuando se aplica la ddp a un circuito
externo circula a través del mismo una intensidad (I), la cual también circula por el
circuito interno. Si la resistencia interna del generador es r, se produce una caída de
tensión en el interior del mismo Vi = r * I. Se denomina fem del generador a la suma
de ambas tensiones, es decir:
fem = ddp + r * I
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS6
ELECTRICIDAD BÁSICA
Es evidente que si la intensidad es igual a cero, la ddp es igual a la fem. Esto ocu-
rre cuando el circuito externo está abierto.
En el apartado correspondiente a pilas y acumuladores se pueden ver más detalles
referentes a este concepto, así como una representación simbólica del mismo.
Ejemplo: Una fuente de alimentación tiene una resistencia interna de 0,3 ohmios y
proporciona en sus conexiones externas una ddp de 24 Vcc cuando el consumo es de
15 amperios. ¿Qué valor tiene la fem?
Vi = Ri * I = 0,3 * 15 = 4,5 voltios
fem = ddp + Vi = 24 + 4,5 = 28,5 voltios
A efectos prácticos solo es necesario conocer la ddp entre los terminales de salida
de la fuente de alimentación, la cual suele ser de 24 Vcc para alimentar los diferentes
elementos que componen los circuitos de medida y control.
1.2.2. Cantidad de electricidad
En la tubería situada en la impulsión de la bomba del símil hidráulico de la Figura
1.3, una corriente o caudal de agua (m3/s), transporta durante una cierta cantidad de
tiempo (s), una cantidad de agua que se puede medir y expresar en m3. De la misma
manera, una corriente de electrones transporta durante cierta cantidad de tiempo (s),
una cantidad de electricidad. Dado que la carga unitaria del electrón es muy pequeña
se utiliza como unidad el culombio, 6,24 * 1018 veces mayor que un electrón. 
Como se verá más adelante, la unidad de corriente eléctrica es el amperio, el cual
corresponde a la cantidad de electricidad de 1 culombio transportado durante 1 segun-
do. Por esta razón, en muchas ocasiones la cantidad de electricidad se conoce como
amperio-segundo, más fácil de utilizar en la práctica al depender de unidades que se
pueden medir sin ninguna dificultad. Por ejemplo, la cantidad de electricidad que
transporta una corriente de 3 A durante 5 minutos será:
Q = I * t = 3 * 5 * 60 = 900 As = 0,25 Ah
De manera similar a la bomba del circuito hidráulico, en el circuito eléctrico se
dispone del generador de tensión, el cual pone en movimiento los electrones a lo largo
del circuito. 
El movimiento de electrones es mayor cuanto mayor es la tensión (V) aplicada o
ddp en los extremos de la fuente de alimentación. En efecto, partiendo de un circuito
con resistencia conocida y fija, aplicando mayor tensión aumentará la intensidad de
paso. Al aumentar la intensidad (I), aumentará también la cantidad de electricidad (Q)
que circula por ese circuito, puesto que:
Q = I * t
De acuerdo a la ley de Ohm, que se verá a continuación, V = R * I, por lo que:
Q = �
R
V
� * t
7
1.2.3. Intensidad de la corriente eléctrica
Antes se ha visto que la intensidad en una corriente hidráulica se mide en unidades
de caudal, es decir, cantidad de líquido por unidad de tiempo, por ejemplo m3/h. De la
misma manera, la intensidad de una corriente eléctrica es la cantidad de electricidad
transportada en un determinado tiempo. La unidad de intensidad de una corriente eléc-
trica es aquella que en un segundo transporta la cantidad de electricidad de un culom-
bio y se denomina amperio. En el campo de medida y control se utiliza como unidad
el mA, mil veces menor. 
Igual que en una tubería no se acumula fluido cuando este se encuentra en circula-
ción, tampoco se acumulan electrones en ninguna parte de un circuito. Esto hace que
la intensidad de corriente o cantidad de electricidad por unidad de tiempo sea la mis-
ma en cualquier parte del circuito. Esta particularidad es la que se utiliza en los circui-
tos transmisores para medición y control, enviando y recibiendo las señales en intensi-
dad de corriente, puesto que de esta manera no influye la caída de tensión que se
produce en el circuito debido a la resistencia de los hilos conductores.
Generalmente se utiliza para transmisión de señales de medición y control el rango
de 4 a 20 mA, que corresponde al 0% y 100% de señal respectivamente. Como los sis-
temas de medida suelen admitir a la entrada las señales en voltaje, es necesario incluir
en el circuito de entrada un divisor de tensión para obtener la señal en voltios propor-
cional a la intensidad de paso. La Figura 1.4 muestra un divisor de tensión de este tipo. 
1.2.4. Ley de Ohm
Llegados a este punto es necesario conocer la relación existente entre tensión y
corriente eléctrica. Como se ha visto anteriormente, cuanto más elevada es la tensión
(voltios), mayor es la cantidad de electricidad (culombios) y, por tanto, mayor la inten-
sidad (amperios), en una relación que de momento se puede escribir como:
I = V * K
donde K es un factor que depende de las características del circuito. Cuanto más
conductor es el circuito mayor cantidad de electrones circulan por él, por lo que K es
un factor de proporcionalidad conocido como conductancia.
En la práctica no se acostumbra a definir la característica de un circuito eléctrico
por la conductancia, sino por su valor inverso, conocido como resistencia. Ohm es la
unidad de medida de la resistencia, mientras que mho es la medida de la conductan-
cia. Se puede ver que mho es igual a ohm leído al revés.
La resistencia se opone a la circulación de corriente, por lo que, manteniendo la
tensión, cuanto mayor es la resistencia menor será la intensidad. Por tanto,
I = V/R
La fórmula anterior representa la manera común de expresar la ley de Ohm, según
la cual «la corriente aumenta con la tensión y es tanto más elevada cuanto más peque-
ña es la resistencia». La de Ohm representa la ley fundamental del paso de corriente
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS8
ELECTRICIDAD BÁSICA
por los conductores. Normalmente se conoce el valor de la tensión, por lo que en fun-
ción de alguno de los dos parámetros restantes se puede obtener el valor del otro. Por
ejemplo, disponiendo de una fuente de alimentación de 24 Vcc se desea conocer la
resistencia total del circuito de un transmisor cuando está circulando una intensidad
de 20 mA.
R = �
V
I
� = �
0,
2
0
4
20
� 1.200 ohmios
Esta resistencia comprende la correspondiente a la línea de conexión, la resisten-
cia de 250 ohmios que se coloca en serie para formar un divisor de tensión en el que
se obtenga la caída de tensión a aplicar al instrumento de medida, y la resistencia
variable del propio transmisor en función de la variable de proceso a medir, por ejem-
plo el caudal de paso por una tubería. La Figura 1.4 muestra el circuito de alimenta-
ción a un transmisor con estos componentes de resistencia en la línea.
1.2.5. Resistividad y conductividad
Como se ha visto anteriormente, la resistencia depende de las características del
circuito, entre las que se encuentran las del material con que están formados los con-
ductores. Para un determinado tipo de conductor la resistencia es tanto mayor cuanto
mayor sea su longitud y menor su sección. La constante del material puede expresarse
bien mediante la conductividad, la cual será tanto mayor cuanto mejor deje pasar la
corriente eléctrica, o bien mediante su inversa, la resistividad, la cual será tanto más
pequeña cuanto mejor deje pasar la corriente eléctrica. Como se ha mencionado ante-
riormente, las unidades de medida son mho y ohm respectivamente. Representando
por L la longitud del conductor (m), y por S su sección (mm2), se tiene que:
R = r �
L
S
� ohmios
Como ejemplo, para los dos materiales más utilizados la resistividad (r) en Ω
mm2/m del cobre es de 0,017 y la del aluminio de 0,028. 
Siguiendo con el ejemplo del apartado anterior y una vez conocida la resistencia dis-
ponible en el circuito al haber realizado el cálculo con la máxima intensidad(20 mA), se
desea conocer la máxima distancia a la que puede colocarse el transmisor con res-
pecto al lugar donde se encuentra la fuente de alimentación de 24 Vcc. Para ello se
sabe además que el transmisor no puede funcionar correctamente si la tensión que le
llega es inferior a 15 Vcc y se utiliza un par de hilos cuya sección es de 0,5 mm2. La
Figura 1.4 muestra el circuito simplificado de este tipo de instalación, en el que el
receptor puede ser un indicador o un controlador.
Si el transmisor necesita 15 Vcc para su funcionamiento, la tensión disponible (Vd)
para el resto del circuito será:
Vd = 24 – 15 = 9 Vcc
A máxima carga la intensidad es de 20 mA. Por tanto la resistencia que puede
admitir el conjunto de componentes del circuito es de:
9
R = �
0
9
,0
,0
20
� = 450 ohmios
De aquí hay que restar los 250 ohmios del divisor de tensión que se intercala para
convertir la intensidad a tensión a la entrada al circuito de medida del receptor. La
resistencia disponible (Rd) para la línea de transmisión de señal será:
Rd = 450 – 250 = 200 ohmios
Aplicando la fórmula anterior para calcular la longitud de línea se tiene:
L = �
R
r
* S
� = �
20
0
0
,0
*
1
0
7
,5
� = 5.882 metros
Como la línea tiene ida y vuelta, la máxima distancia será 2.941 metros. En caso
de necesitar mayor longitud, la solución más simple es aumentar la sección del con-
ductor, con objeto de disminuir la resistencia.
Normalmente se utilizan dos secciones diferentes para la línea de transmisión, 0,5
mm2 en los multicables y 1,5 mm2 en los pares individuales. Esta última sección es
solo con objeto de obtener mayor resistencia mecánica en el cable. Un ejemplo de ins-
talación aparece en la Figura 1.28.
En muchos tipos de instalaciones en los que existen productos inflamables se utili-
zan barreras Zener para separar la atmósfera peligrosa de campo de la zona segura de
la sala de control. En estos elementos se produce caída de tensión de forma que la ten-
sión de la fuente de alimentación se reduce en una cantidad más o menos importante.
Como consecuencia la longitud de cable admisible se reducirá en función de la caída
de tensión en la barrera.
Siguiendo con el ejemplo anterior, se supone que la tensión se reduce 2 Vcc, que-
dando disponibles 22 Vcc de los 24 Vcc que proporciona la fuente de alimentación.
La longitud de cable en este caso será:
Vd = 22 – 15 = 7 Vcc
R= �
0,0
7
20
� = 350 ohmios
Rd = 350 – 250 = 100 ohmios
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS10
Figura 1.4
ELECTRICIDAD BÁSICA
L= �
R
r
* S
� = �
1
2
� * �
10
0
0
,0
*
1
0
7
,5
� = 1.470 metros
Como se puede ver, la distancia a la que se puede instalar el transmisor se ha
reducido desde los 2.941 metros del caso anterior a 1.470 metros. Esto hace que a la
hora de diseñar el tipo de cable, o mejor aún la sección del mismo, se necesite cono-
cer la distancia a la cual se van a situar los instrumentos en campo respecto a la sala
de control.
1.2.6. Potencia
Anteriormente se ha visto que si desde una altura H se dejan caer Q kg de agua
por segundo la potencia del salto será:
(Q/t) * H kgmetros/s
De la misma manera, si entre dos puntos de un circuito existe una ddp de V voltios
de corriente continua, siendo la intensidad I amperios, la potencia desarrollada será:
P = V * I watios
Haciendo uso de las diversas combinaciones que pueden hacerse con la ley de
Ohm, la fórmula anterior puede expresarse de diferentes modos dependiendo de los
datos disponibles. Por ejemplo:
P = V * I = V * ��VR�� = �VR
2
�
P = V * I = (R * I) * I = R * I 2
Como se mencionó al principio de este capítulo, solo se trata de circuitos de corrien-
te continua. Cuando se trata de circuitos de corriente alterna hay que añadir un factor de
potencia en función del tipo de circuito, es decir, en función de si el circuito contempla
resistencias puras, bobinas, condensadores o cualquier combinación entre ellos.
Cuando se trata de corriente alterna hay que operar con los valores eficaces de ten-
sión e intensidad, así como el ángulo de desfase en función del tipo de circuito, que-
dando el cálculo como:
P = V * I cos ϕ watios
donde cos ϕ es el factor de potencia.
Cuando en corriente alterna solo se aplican los valores de tensión e intensidad efi-
caces, la potencia será:
P = V * I voltamperios (VA)
conocida como potencia aparente.
11
1.2.7. Influencia de la temperatura
La resistencia de cualquier conductor no solo depende de la longitud, sección y tipo
de material, sino también de la temperatura. Si una resistencia R aumenta su temperatura
1 °C se tendrá un incremento de resistencia R * α siendo α el coeficiente de temperatura.
Si ahora la resistencia pasa de la temperatura T1 a la temperatura T2, el aumento será:
D R = a * (T2 – T1)
Denominando R1 la resistencia original y R2 la final, se tendrá que:
R2 = R1 + R1 * a * (T2 – T1)
R2 = R1 * [1 + a * (T2 – T1)]
La temperatura T1 se considera de referencia para obtener el valor del coeficien-
te de temperatura correspondiente. A modo de ejemplo, el cobre tiene un coeficiente
α = 0,00388 °C–1 a 15 °C. Por tanto la ecuación anterior debería transformarse en:
R2 = R15 * [1 + 0,00388 * (T2 – 15)]
Si no se dispone de valores de α se puede asumir, con mucha aproximación, que
para los metales su valor es 0,004 °C–1. En otras palabras, la resistencia aumenta 0,4
% por cada grado centígrado. Cuando se trata de resistencias de precisión, por ejem-
plo PT 100 DIN, es necesario aplicar otro coeficiente, quedando por tanto que:
R2 = [1 + a * (T2 – T1) + b * (T2 – T1)2]
A continuación se muestra un ejemplo de cómo cambia la resistencia de línea de
un transmisor cuando se modifica la temperatura ambiente. Siguiendo con el ejemplo
para cálculo de longitud de línea, visto anteriormente, se tiene una resistencia disponi-
ble de 200 Ω y se supone que la temperatura ambiente es de 15 °C. Si el ambiente
pasa a ser de 40 °C se tiene:
R = 200 * [1 + 0,00388 * (40 – 15)] = 219,4 W
Aplicando ahora este valor, la posible distancia entre transmisor y fuente de ali-
mentación sería:
L = �
1
2
� * �
219
0
,
,
4
01
*
7
0,5
� = 3.226 metros
Por el contrario, si la temperatura ambiente desciende a –5 °C,
R = 200 * [1 + 0,00388 * (–5 – 15)] = 184,5 W
Ahora la longitud de línea pasaría a ser:
L = �
1
2
� * �
184
0
,
,
5
01
*
7
0,5
� = 2.713 metros
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS12
ELECTRICIDAD BÁSICA
Como se puede deducir, cuando un transmisor se va a situar muy lejos de la fuente
de alimentación es conveniente realizar los cálculos con la menor temperatura
ambiente que se espera tener en el entorno.
1.3. Resistencias
La resistencia es una propiedad de los materiales por la cual se produce una oposi-
ción al paso de la corriente eléctrica. Esta propiedad se ha utilizado para designar los
componentes eléctricos y electrónicos con el mismo nombre. Una resistencia se encar-
ga de limitar el paso de corriente por un circuito, convirtiendo el exceso en calor.
Existe gran cantidad de tipos constructivos de resistencias, desde las más peque-
ñas, con potencia de 1/2 watio o menos, construidas de carbón para ser utilizadas en
circuitos electrónicos, hasta resistencias de gran potencia utilizadas en circuitos eléc-
tricos, pasando por las muy conocidas que se encuentran en hornos domésticos.
Como ejemplo, la Figura 1.5 muestra una resistencia de carbón de las utilizadas
en circuitos electrónicos o eléctricos de pequeña potencia, así como el símbolo con
el que suele representarse. En este tipo de resistencia se conoce su valor al estar
identificado por un código de colores en forma de bandas impresas sobre la propia
resistencia.
Además de las resistencias fijas existen otras variables para ajustar en función de
la necesidad del circuito donde vaya instalada. Generalmente se conocen con el nom-
bre de potenciómetros, los cuales pueden estar construidos de carbón o devanados.
Los potenciómetros de carbón se utilizan en equipos electrónicos y están forma-
dos por una placa de materialaislante sobre la que se ha depositado una mezcla de
grafito y resina. Sobre esta capa se desplaza un cursor conectado a una toma exterior
para seleccionar el valor de resistencia deseado con respecto a uno de los extremos.
Los potenciómetros bobinados están constituidos por un anillo de material aislante
sobre el que se arrolla un hilo metálico de grosor suficiente para soportar la intensidad
que debe pasar a través del mismo.
La Figura 1.6 muestra un potenciómetro devanado, también conocido como reós-
tato, en el que existen dos terminales fijos conectados a los extremos A y C y otro B
conectado al cursor. En esta figura aparecen dos símbolos, el superior corresponde al
potenciómetro propiamente dicho, mientras que el inferior es uno genérico para repre-
sentar resistencias variables. Todo lo dicho, respecto al comportamiento, es común
tanto a los potenciómetros devanados como a los de carbón.
En la Figura 1.7 se pueden ver dos ejemplos de utilización del potenciómetro. Se
trata de obtener una tensión ajustable, por ejemplo 18 Vcc, a partir de una tensión fija
13
Figura 1.5
procedente de una fuente de alimentación. Para empezar se supone que entre los extre-
mos A y C de R2 existe una ddp de 20 Vcc, luego moviendo el cursor de R2 se podrán
obtener los 18 Vcc de salida respecto al punto C. El potenciómetro R2 tiene conecta-
dos tanto los extremos como el cursor.
Para que entre A y C existan 20 Vcc habrá sido necesario ajustar R1 para que
entre el extremo conectado al positivo de la fuente de alimentación y el cursor exista
una caída de tensión de 4 Vcc. Moviendo el cursor de R1 en la dirección de la fuente
de alimentación aumentará la ddp entre A y C hasta un máximo de 24 Vcc cuando se
haya eliminado toda la resistencia que opone R1. Por el contrario, moviendo el cur-
sor de R1 en sentido contrario puede que la ddp entre A y C sea inferior a los 18 Vcc
deseados.
De forma general se puede decir que el comportamiento de R2 es el de un poten-
ciómetro, mientras que R1 se comporta como resistencia variable.
1.3.1. Conexión en serie
El circuito eléctrico de la Figura 1.8 es el más simple de los posibles y consta de
generador, conductores y resistencias, además del interruptor de corte de corriente.
Los componentes están unidos entre sí de manera que la corriente que los atraviesa es
la misma para todos ellos. Este tipo de conexión se denomina «en serie» y su caracte-
rística principal es que en todo el circuito existe la misma intensidad de paso de
corriente.
De acuerdo a la ley de Ohm se puede calcular la caída de tensión en cada una de
las partes del circuito, la cual ha de ser igual a la ddp en la fuente de alimentación. Se
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS14
Figura 1.6
Figura 1.7
ELECTRICIDAD BÁSICA
supone que la resistencia R, utilizada para obtener la señal de medida en voltios a
partir de la intensidad que circula por el circuito, se encuentra situada junto a la fuen-
te de alimentación, por lo que no se ocasiona caída de tensión entre el punto 1 y esta
resistencia.
Realmente el comportamiento de las resistencias en serie es el de un divisor de
tensión, puesto que en cada tramo existe una ddp en función de la resistencia existente
en ese tramo.
V12 = I * R + I * R54 + I * R43 + I * R32
V12 = I * (R + R54 + R43 + R32) = I * Rc
La suma de las cuatro resistencias es la resistencia combinada (Rc) del circuito
externo a la fuente de alimentación, por lo que se puede generalizar diciendo que la
resistencia combinada de un circuito cuyos elementos están conectados en serie es
igual a la suma de las resistencias que lo componen.
Rc = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
Siguiendo con el ejemplo visto anteriormente, si la máxima intensidad de paso por
el circuito es de 20 mA, la fuente de alimentación proporciona 24 Vcc y el transmisor
necesita para su funcionamiento 15 Vcc, se pueden calcular el resto de valores del cir-
cuito de la forma siguiente:
R43 = V/I = 15/0,020 = 750 W
VR = R * I = 250 * 0,020 = 5 V
V54 = V32 = (24 – 15 – 5)/2 = 2 V
R54 = R32 = 2/0,020 = 100 W
Rc = R + R54 + R43 + R32 = 250 + 100 + 750 + 100 = 1.200 W
I = V/R = 24/1.200 = 0,020 A
1.3.2. Conexión en paralelo
En la conexión en serie se ha visto que circulaba la misma intensidad en todos los
puntos del circuito. Cuando se realiza la conexión en paralelo el comportamiento es dis-
tinto. Al comparar las Figuras 1.9 y 1.8 se puede ver rápidamente que en la Figura 1.9
15
Figura 1.8
aparecen dos caminos por los cuales se divide la circulación de corriente a partir del
punto 1, siendo esta la característica principal de la conexión en paralelo. En otras
palabras, la intensidad puede tener valores diferentes en cada uno de los caminos, en
lugar de tener el mismo valor, como ocurre en la conexión en serie.
Partiendo de la misma tensión en la fuente de alimentación, la cantidad de electri-
cidad que circula por cada uno de los caminos a partir del punto 1 es la misma que la
existente antes de esa bifurcación. El reparto se realiza en función de las diferentes
resistencias que opone cada uno de los circuitos, de forma que la intensidad total antes
de la derivación es la misma que la suma de intensidades (I1 + I2), después de la deri-
vación. Igual fenómeno ocurre en el punto 2, aunque de forma inversa.
Cuando existen más de dos derivaciones la intensidad total (It) será:
It = I1 + I2 + I3 + ...... + In
Cuando existen múltiples bifurcaciones, el cálculo de la resistencia combinada del
circuito global se puede hacer utilizando la ley de Ohm, sabiendo que la tensión apli-
cada es la misma para todos los circuitos. Por tanto,

R
V
c
 = 
R
V
1
 + 
R
V
2
 + 
R
V
3
 + ...... + 
R
V
n

Dividiendo entre V todos los numeradores,

R
1
c
 = 
R
1
1
 + 
R
1
2
 + 
R
1
3
 + ...... + 
R
1
n

Cuando se trata de dos resistencias, o circuitos, el cálculo se simplifica, dando
como resultado que la resistencia combinada será:
Rc = 
R
R
1
1
+
* R
R
2
2

Cuando se trata de conectar varias resistencias del mismo valor en paralelo tam-
bién se simplifica el cálculo de forma que si R es la resistencia de cada una de ellas y
N su número, la resistencia combinada será:
Rc = 
N
R

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS16
Figura 1.9
ELECTRICIDAD BÁSICA
A diferencia del circuito serie, donde la resistencia combinada del circuito es la
suma de todas las resistencias, en el circuito paralelo la resistencia combinada es más
pequeña que la menor de las resistencias que lo componen.
Los elementos de los sistemas de control se conectan en paralelo (transmisores,
convertidores, etc.), de forma que a partir de una fuente de alimentación se llevan a
cabo las derivaciones necesarias hasta obtener el máximo número de elementos a
conectar. Por ejemplo, se dispone de una fuente de alimentación de 24 Vcc con una
intensidad máxima de 10 A, correspondiendo a una potencia de 240 W. Para conocer
el máximo número de elementos a conectar se ha de suponer que por todos ellos cir-
cula en un momento dado la máxima intensidad, es decir, 20 mA. Como consecuencia
se tiene que:

0,
1
0
0
20
 = 500 elementos
Realmente este número de elementos es excesivo desde un punto de vista práctico,
puesto que en un momento determinado podría encontrarse la fuente de alimentación
a máxima carga, lo que a veces no es deseable para evitar su calentamiento. Por tal
motivo se puede considerar que la máxima intensidad disponible sea del 70 % de la
nominal; esto hace que el número de elementos a conectar sea:

10
7
0
0
*
*
0
1
,0
0
20
 = 350 elementos
Queda decir por último que además de las conexiones serie y paralelo existen las
conexiones mixtas, como la que muestra la Figura 1.10.
Sin entrar a analizar el comportamiento de este circuito, la forma de operar para
realizar los cálculos necesarios es la siguiente:
• Calcular la resistencia combinada (Rc) de R2 y R3.
• Tratar el circuito como serie de R1 y Rc para calcular la intensidad I.
• Conocida I se puede obtener el restode valores del circuito.
A continuación se muestra un ejemplo de cálculo en el que se parte de los siguien-
tes datos:
R1 = 100 W, R2 = 70 W, R3 = 50 W, V = 24 Vcc
17
Figura 1.10
Rc = 
7
7
0
0
+
* 5
5
0
0
 = 29,17 W
Rt = 100 + 29,17 + 129,17 W
It = 
12
2
9
4
,17
 = 0,1858 A = 185,8 mA
Con estos datos se pueden obtener las caídas de tensión en cada resistencia.
VR1 = 0,1858 * 100 = 18,58 V
VR2 = VR3 = 0,1858 * 29,17 = 5,42 V
Vt = 18,58 + 5,42 = 24 Vcc
De igual manera se pueden obtener las intensidades que circulan por cada una de
las resistencias.
IR2 = 
5
7
,4
0
2
 = 0,0774 A
IR3 = 
5
5
,4
0
2
 = 0,1084 A
It = 0,0774 + 0,1084 = 0,1858 A
Esta intensidad es la misma que circula por la resistencia R1 al estar conectada en
serie con la resistencia combinada de R2 y R3. De cualquier forma se puede compro-
bar utilizando la misma fórmula de cálculo.
IR1 = 
1
1
8
0
,5
0
8
 = 0,1858 A
1.3.3. Leyes de Kirchhoff
A este físico alemán se deben dos leyes relacionadas con los circuitos eléctricos:
• Ley de los nudos.
• Ley de las mallas.
1.3.3.1. Ley de los nudos
En el apartado correspondiente a conexiones en paralelo se ha visto que la intensi-
dad que entra al punto 1 de la Figura 1.9 es igual a la suma de las intensidades que
atraviesan las resistencias R1 y R2. La Figura 1.11 muestra un nudo de distribución
donde entran y salen varias corrientes.
La suma de las intensidades que entran tiene que ser igual a la suma de intensida-
des que salen.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS18
ELECTRICIDAD BÁSICA
I1 + I2 = I3 + I4 + I5
S I Ent = S I Sal
S I Ent – S I Sal = 0
S I = 0
que representa la expresión matemática de la primera ley de Kirchhoff, según la cual:
«En todo nudo de corrientes, la suma algebraica de las intensidades que entran y salen
es nula».
1.3.3.2. Ley de las mallas
Igual que se acoplan resistencias en serie, se pueden acoplar generadores en serie.
En este caso y dependiendo del tipo de conexión empleada pueden estar en adición o
en oposición, tal como aparecen en las Figuras 1.12A y 1.12B.
En la Figura 1.12A las tensiones se suman porque actúan en el mismo sentido, la
tensión total entre extremos será:
Vtot = V1 + V2
En la Figura 1.12B las tensiones van dirigidas en sentidos opuestos según marcan
las flechas. Designando como positivo el sentido de V1, lógicamente el V2 será nega-
tivo. Por tanto,
Vtot = V1 – V2
Por otro lado, la tensión total que actúa sobre un circuito se consume en las resis-
tencias existentes en ese circuito. En cada resistencia se produce una caída de tensión
R * I. De esta manera, si Σ (R * I) es la caída de tensión total, se cumple que:
SV = S (R * I)
19
Figura 1.11
Figura 1.12
que representa la segunda ley de Kirchhoff, la cual establece que «en todo circuito
cerrado, la suma de las fem es igual a la suma de las caídas de tensión».
Cuando se plantea una malla en la que se aplica la segunda ley de Kirchhoff, es
necesario establecer un sentido de circulación de corriente dentro de la malla, que se
denomina sentido de referencia. Todas las corrientes y tensiones que se encuentren en
el mismo sentido que el de referencia tendrán signo positivo, mientras que las que se
encuentren en sentido contrario tendrán signo negativo. El sentido de referencia se fija
aleatoriamente, de forma que si los resultados finales muestran signo negativo para las
intensidades o tensiones, significa que el sentido es contrario al que se había supuesto.
1.3.3.3. Puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone que aparece en la Figura 1.13 es un claro ejemplo de apli-
cación de las dos leyes de Kirchhoff. Este puente de medida se utiliza con frecuencia
en medidores de temperatura cuyo elemento sensor es una termo-resistencia.
El sentido de referencia Z está indicado por las flechas en ambas mallas. El siste-
ma contiene 6 intensidades de valor desconocido y diferentes entre sí. Para resolver
este sistema se dispone de al menos 6 ecuaciones, 3 de ellas relacionadas con los
nudos y otras 3 relacionadas con las mallas.
• Primera ley de Kirchhof:
Ia = I3 + I4
I3 = I1 + Ig
I2 = I4 + Ig
• Segunda ley de Kirchhoff:
Va – I3 * R3 – I1 * R1 = 0
I4 * R4 – Ig * Rg – I3 * R3 = 0
I2 * R2 + Ig * Rg – I1 * R1 = 0
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS20
Figura 1.13
ELECTRICIDAD BÁSICA
Este sistema se puede resolver para obtener los valores de todas las resistencias e
intensidades del circuito. En la práctica, cuando se efectúa la medida de la termo-
resistencia R4 hay que mover la resistencia variable R3 hasta que la intensidad a tra-
vés del galvanómetro sea Ig = 0. Teniendo en cuenta que por diseño las resistencias
R1 y R2 deben ser iguales, se pueden simplificar las ecuaciones anteriores de la forma
siguiente:
• Primera ley:
I3 = I1
I2 = I4
• Segunda ley:
I4 * R4 – I1 * R3 = 0
I4 * R2 – I1 * R1 = 0
Tomando la última ecuación, al ser iguales las resistencias R2 y R1 han de serlo
también las intensidades I4 e I1. Por tanto, en estado de equilibrio del puente (Ig = 0),
la resistencia R3 es igual a la R4 en la penúltima ecuación. De esta manera, al conocer
el valor de R3 se puede obtener el valor de temperatura que está midiendo la termo-
resistencia. La equivalencia temperatura-resistencia se obtiene en tablas específicas en
función del tipo de termo-resistencia, por ejemplo PT 100 DIN.
1.4. Pilas, acumuladores y fuentes de alimentación
En este apartado no se van a tratar las características técnicas de las pilas, de los
acumuladores ni de las fuentes de alimentación. Estas últimas se describen en el capí-
tulo correspondiente a electrónica básica. 
Realmente lo interesante en este punto es conocer la forma de conectar estos ele-
mentos para formar baterías que sean capaces de alimentar a un circuito determinado,
proporcionando la tensión e intensidad adecuadas.
Una pila es un elemento que se representa esquemáticamente como muestra la
Figura 1.14. En la parte izquierda aparece una pila alimentando a una resistencia exter-
na (Re), tal como se puede ver en cualquier sistema de alimentación. Desde un punto
21
Figura 1.14
de vista riguroso es más exacta la representación de la parte derecha, pues-
to que al circular corriente por el circuito externo aparece también una resistencia inter-
na (Ri), en la propia pila. Este fenómeno es exactamente igual en los acumuladores.
Aplicando la ley de Ohm se tendrá una caída de tensión interna:
VRi = I * Ri
Esto hace que la tensión en las conexiones externas de la pila, conocida como ten-
sión entre bornes, sea:
Vb = V – I * Ri
Partiendo de estos conceptos se pueden presentar los dos casos siguientes:
• Resistencia exterior 0 Ω. Por ejemplo, uniendo los extremos con un hilo de
cobre con mucha sección. La corriente o intensidad que circula viene determina-
da por la resistencia interna de la pila, lo que se conoce como corriente de corto-
circuito. Esta situación debe evitarse porque se produce la descarga de la pila
rápidamente.
• Resistencia exterior muy grande. En este caso la tensión entre bornes será prác-
ticamente igual a la tensión de la pila, puesto que la intensidad es casi nula. Se
suele conocer como tensión en vacío. Este caso ocurre cuando se mide la ten-
sión de la pila con un voltímetro, puesto que la resistencia de este es muy eleva-
da y tiene el efecto de un circuito externo.
Los acumuladores tienen el mismo comportamiento eléctrico desde el punto de
vista de alimentación de circuitos. La diferencia fundamental estriba en que las pilas
son de un solo uso, es decir, cuando se agotan es necesario sustituirlas por otras, mien-
tras que los acumuladores tienen la posibilidad de ser recargados de nuevo.
De la misma manera que las resistencias, las pilas y los acumuladores se pueden
conectar en serie y en paralelo, obteniendo una batería, la cual no es otra cosa que
una combinación de elementos individuales. 
1.4.1. Conexión en serie
Para conectar varias pilas o acumuladores en serie se une el polo negativo de cada
una de ellas con el positivode la siguiente. Las fem de todos los elementos actúan en
la misma dirección, como se ha visto en la segunda ley de Kirchhoff. Como conse-
cuencia la fem total será igual a la suma de todas las individuales.
La Figura 1.15 muestra una batería compuesta por 4 elementos. Asumiendo que
cada uno de los elementos tiene una tensión de 1,5 V, la tensión total será de 6 V. Esta
composición también se conoce como serie aditiva.
En este tipo de conexión las resistencias internas estarán también conectadas en
serie, por lo que la resistencia total interna será la suma de todas ellas.
En este punto es conveniente recordar que solo se deben conectar en serie aquellos
elementos construidos para proporcionar la misma intensidad, ya que de lo contrario
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS22
ELECTRICIDAD BÁSICA
1.4.2. Conexión en paralelo
Un conjunto de pilas se encuentra conectado en paralelo cuando todos los polos
positivos están unidos entre sí y todos los polos negativos por otro lado. 
La tensión que proporciona este tipo de conexión es igual a la de una de las pilas.
En realidad no se hace otra cosa que aumentar la intensidad y, por tanto, la potencia a
suministrar respecto a una sola pila.
23
Figura 1.15
la intensidad máxima será la del elemento menor, desaprovechando en parte la del res-
to de elementos. Un ejemplo típico es la conveniencia de cambiar simultáneamente
todas las pilas de un receptor de radio, o cualquier otro equipo alimentado con pilas,
porque la intensidad, y por tanto la potencia suministrada, estará en función de la pila
más gastada.
Aunque es una práctica que suele carecer de sentido, las pilas también pueden
conectarse en serie oposición. Aquí se menciona simplemente para conocer este tipo
de conexión, en la que se unen dos polos del mismo signo, por lo que la fem de un
conjunto de ellas actúa en sentido contrario a la correspondiente al otro, prevaleciendo
la batería o grupo que tenga mayor potencial.
La Figura 1.16 muestra un ejemplo de conexión en serie oposición. Si, como en el
caso anterior, se asume que cada una de las pilas tiene una tensión de 1,5 V, el voltaje
medido en los terminales Vt será:
Vt = 4 * 1,5 – 1,5 = 4,5 V
Realmente se trata de una demostración de la segunda ley de Kirchhoff, o ley de
las mallas. En este caso el polo positivo en los terminales Vt será el correspondiente a
la batería con mayor número de elementos, es decir, la que se compone de 4 pilas.
Figura 1.16
1.4.3. Fuentes de alimentación
La descripción y el funcionamiento de una fuente de alimentación se explican en
el capítulo correspondiente a electrónica básica, por lo que aquí solo se van a ver des-
de el punto de vista de acoplamiento de las mismas para alimentar elementos que se
utilizan para medida y control, por ejemplo transmisores.
Generalmente las fuentes suelen suministrar una tensión de 24 Vcc, con la cual se
alimenta los circuitos de instrumentos. El problema se presenta cuando la potencia
suministrada por una fuente no es capaz de admitir el número de elementos disponi-
bles. En este caso se recurre a conectar en paralelo varias fuentes de la misma tensión
entre bornes de salida.
Así como las pilas tienen la misma tensión cuando se encuentran en descarga debi-
do a su propia naturaleza, las fuentes de alimentación, al estar construidas con compo-
nentes electrónicos, puede que no tengan la misma tensión de salida. Es muy difícil
que los componentes sean exactamente iguales desde un punto de vista de construc-
ción. Conectándolas en paralelo podría ocurrir que la fuente con menor tensión haga
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS24
Figura 1.17
Figura 1.18
La Figura 1.17 muestra una conexión en paralelo, en la que la tensión total en Vt
será de 1,5 V, que corresponde a la que suministra una sola de las pilas. En este caso la
duración de la batería será 4 veces mayor a la de una pila. El problema es que la ten-
sión suministrada es muy pequeña, por lo que a veces se recurre a un tipo de conexión
mixta como la que aparece en la Figura 1.18.
En una conexión mixta la tensión corresponde a la suma de pilas conectadas en
serie, mientras que la intensidad corresponde al número de brazos conectados en para-
lelo. En el ejemplo de la Figura 1.18 la tensión en Vt será de 6 V.
ELECTRICIDAD BÁSICA
de receptor de la que tenga mayor tensión al estar unidos los polos positivos por un
lado y los negativos por otro.
La Figura 1.19 muestra el acoplamiento de tres fuentes de alimentación en parale-
lo. Se puede ver que existe un diodo en cada una de las salidas de las fuentes con obje-
to de evitar retorno de corriente. Como se verá en el capítulo correspondiente a elec-
trónica básica, un diodo conduce corriente en el sentido de la flecha, mientras que la
bloquea en sentido opuesto, por lo que el polo positivo de todas las fuentes dará salida
hacia la línea común de alimentación, retornando siempre por los polos negativos. De
esta manera se evita que la corriente de una fuente pase a cualquier otra conectada en
paralelo.
1.5. Capacidades
Un condensador es un componente que almacena energía. De alguna manera pue-
de ser comparado con una batería muy pequeña. Básicamente un condensador está
formado por dos partes: placas metálicas y dieléctrico.
La Figura 1.20 muestra un condensador de placas, las cuales se encuentran separa-
das por un material no conductor denominado dieléctrico para evitar el paso de
25
Figura 1.19
Figura 1.20
Dieléctrico
Conexión
Placas
Conexión
corriente de una placa a la otra. Cada una de las placas se encuentra conectada a un
terminal.
Para conocer el comportamiento de un condensador se muestra el circuito de la
Figura 1.21, el cual está compuesto por generador, resistencia, condensador y un con-
mutador para realizar el experimento.
Cuando en un circuito como el de la Figura 1.21 se coloca el conmutador en la
posición de carga C, se establece una circulación eléctrica hasta alcanzar las placas A
y B conectadas a los extremos del generador. En las placas se alcanzará la ddp (vol-
tios) existente en los extremos del generador, almacenando una cantidad de electrici-
dad Q. Aumentando la tensión del generador aumentará la cantidad de electricidad de
manera proporcional, por lo que se puede decir que:
Q = C * V
siendo C la constante de proporcionalidad.
El valor de C depende fundamentalmente del tamaño de las placas y las caracterís-
ticas del aislante que existe entre ellas y se denomina capacidad del sistema porque
define la aptitud para almacenar energía eléctrica.
Midiendo la cantidad de electricidad Q en culombios y la tensión V en voltios, la
capacidad C queda expresada en faradios. En la práctica el faradio es una unidad exce-
sivamente grande, por lo que los cálculos se efectúan habitualmente en microfaradios.
Otras formas de expresar la capacidad es en picofaradios, que corresponde a 10–6
microfaradios, o también en nanofaradios, que corresponde a 10–3 microfaradios.
Volviendo a la Figura 1.21, al colocar el conmutador en posición 0 debería perma-
necer invariable la carga del condensador, pero en la práctica no es así debido entre
otras causas a las pérdidas a través del dieléctrico, el cual se comporta como una resis-
tencia interna que ocasiona un paso de corriente denominada corriente de fuga del
condensador.
Colocando ahora el conmutador en posición D se producirá la descarga del con-
densador a través de la resistencia R instalada en el circuito. La corriente de descarga
continuará hasta que no exista ddp en los extremos del condensador.
El comportamiento de un condensador tiene similitud con el de un recipiente de
gas licuado, por ejemplo butano. La cantidad de gas almacenado dependerá de la
capacidad del recipiente y de la presión a la que esté sometido. De igual manera, la
capacidad del condensador para almacenar electricidad será tanto mayor cuanto
mayor sea la superficie de las placas. Por otro lado la carga puede aumentar «com-
primiendo» los electrones, o lo que es igual, aumentando la ddp que se aplicaa las
placas.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS26
Figura 1.21
ELECTRICIDAD BÁSICA
1.5.1. Constante de tiempo RC
En la Figura 1.21 se ha visto cómo se carga o descarga un condensador en función
de si está conectado al generador o a la resistencia. Realmente el condensador no se car-
ga ni descarga instantáneamente, sino que lo hace al cabo de un tiempo determinado.
La Figura 1.22 puede servir de ejemplo para ver el tiempo que tarda en cargarse o
descargarse un condensador. En el primer momento en que se cierra S1 el condensa-
dor actúa como un interruptor, quedando toda la tensión en los extremos de la resis-
tencia. A medida que pasa el tiempo se irá cargando el condensador hasta alcanzar
«prácticamente» la tensión suministrada por el generador. Sin entrar a analizar mate-
máticamente el circuito, el condensador se carga al 63,2 % de la tensión del generador
al cabo de una constante de tiempo. El valor de la constante de tiempo en segundos es
igual al producto de la resistencia en ohmios y la capacidad en faradios.
t = R * C
La constante de tiempo no es una unidad fija de tiempo sino que depende de los
valores de la resistencia y del condensador. Si la resistencia está dada en ohmios y la
capacidad en microfaradios el tiempo estará dado en microsegundos.
La Figura 1.23 muestra un gráfico del comportamiento de la tensión al cargar o
descargar un condensador a través de un circuito RC como el de la Figura 1.22. Se
27
Figura 1.22
Figura 1.23
A. Tensión condensador en carga
B. Tensión condensador en descarga
puede ver que se carga al 63,2 % en una constante de tiempo, 86,5 % en dos, 95 % en
tres, 98,2 % en cuatro y 99,3 % en cinco constantes de tiempo. A partir de aquí la cur-
va se puede considerar asintótica, por lo que en pura teoría el condensador nunca ter-
mina de cargarse ya que siempre existe un pequeño valor que falta para completar la
carga. A efectos prácticos se considera que un condensador se encuentra cargado al
final de cinco constantes de tiempo.
1.5.2. Conexión en paralelo
Cuando se conectan varios condensadores en paralelo, como muestra la Figura 1.24,
todos ellos estarán sometidos a la misma ddp entre placas. A efectos prácticos lo que
se ha hecho es aumentar la superficie de las placas y como la capacidad es proporcio-
nal a esta superficie se tendrá como resultado que la capacidad total Ct o combinada
sea igual a la suma de las capacidades parciales, es decir:
Ct = C1 + C2 + C3
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS28
Figura 1.24
Al mismo resultado se llega diciendo que la cantidad de electricidad total Qt que
circula por el circuito es igual a la suma de las cantidades de electricidad de los con-
densadores montados en paralelo. 
Qt = Q1 + Q2 + Q3
Antes se ha visto que Q = C * V. Teniendo en cuenta que la tensión V es común a
todos los condensadores,
Ct * V = C1 * V + C2 * V + C3 * V
Ct * V = V * (C1 + C2 + C3)
eliminando la tensión V en ambos lados de la ecuación,
Ct = C1 + C2 + C3
1.5.3. Conexión en serie
La Figura 1.25 muestra un acoplamiento de tres condensadores en serie para ver el
comportamiento cuando se efectúa este tipo de conexionado.
ELECTRICIDAD BÁSICA
Al estar conectados los condensadores en serie se puede ver que las placas b, c, d
y e no tienen conexiones externas, por lo cual no ejercen ninguna influencia sobre las
conexiones inicial (a) y final (f) de la serie, es decir, están «flotando» entre el dieléc-
trico. Como consecuencia se ha obtenido un nuevo condensador pero aumentando la
separación entre placas que se encuentran conectadas a la ddp, o lo que es igual,
aumentando el dieléctrico. Al aumentar el espacio entre las placas se reduce la capaci-
dad total del condensador.
Al tratarse de un circuito serie la intensidad de paso de corriente será la misma por
todas las placas, lo cual se traduce en que circula la misma cantidad de electricidad.
Sin embargo la tensión aplicada al conjunto será igual a la suma de las tensiones V1,
V2 y V3 que corresponden a las capacidades C1, C2 y C3. Por tanto:
Vt = V1 + V2 + V3
Como Q = C * V, se puede sustituir V por Q/C, quedando:

Q
Ct
t
 = 
C
Q
1
t
 + 
C
Q
2
t
 + 
C
Q
3
t

y dividiendo el numerador en ambos lados entre Qt,

C
1
t
 = 
C
1
1
 + 
C
1
2
 + 
C
1
3

Igual que ocurre en el caso de resistencias en paralelo, cuando se conectan dos
condensadores en serie la capacidad total será:
Ct =
C
C
1
1
+
* C
C
2
2

A diferencia de la conexión en paralelo, en que la capacidad combinada o total del
circuito es la suma de todas las capacidades, en el circuito serie la capacidad total es
más pequeña que la menor de las capacidades que lo componen.
Además de los circuitos con conexionado en serie o en paralelo, existe el conexio-
nado mixto. Como ya se ha mencionado en los apartados correspondientes a resisten-
cias, hay que simplificar los circuitos por medio de cálculos para obtener los paráme-
tros que se necesitan en cada caso en particular.
Se habrá observado que el comportamiento de condensadores en serie es similar al
de resistencias en paralelo, mientras que el comportamiento de condensadores en
paralelo es similar al de resistencias en serie. Todo ello desde el punto de vista de tra-
tamiento para calcular la capacidad o resistencia combinada.
29
Figura 1.25
1.6. Campo magnético
Además de las propiedades o características eléctricas, la corriente eléctrica tiene
otra acción de carácter magnético, en la cual se fundamentan máquinas tales como
motores, transformadores, generadores, etc.
Es clásica la demostración del campo magnético colocando limaduras de hierro
sobre un cartón que es atravesado perpendicularmente por un conductor eléctrico. Al
circular corriente por este conductor se crea alrededor suyo un campo magnético con
la particularidad de que las limaduras de hierro se colocan en la dirección de las líneas
de campo, tal como muestra la Figura 1.26. El sentido de estas líneas de campo es el
mismo en el que se hace girar un sacacorchos cuando el sentido de avance es igual al
de la corriente eléctrica. Este sentido también se rige por la regla de la mano derecha,
según la cual, sujetando un conductor eléctrico con la mano derecha, cuando el pulgar
indica la dirección de la corriente los otros cuatro dedos indican la dirección de las
líneas de campo.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS30
Figura 1.26
El campo magnético depende del paso de la corriente eléctrica, luego la intensidad
del campo dependerá de la intensidad eléctrica, disminuyendo su valor a medida que
se aleja del conductor. 
1.6.1. Inducción
De la misma manera que la corriente eléctrica genera un campo magnético, este a
su vez puede ocasionar una corriente eléctrica inducida cuando un conductor se intro-
duce en él. Este descubrimiento fue hecho por Faraday y por medio del mismo se
pudieron conectar dos campos antes separados, como son electricidad y magnetismo.
Para que exista inducción no solo es necesario que exista flujo magnético, sino
que además este flujo ha de experimentar una variación. Un ejemplo industrial se tie-
ne cuando se pone en marcha o se para el motor que acciona una bomba, o el que
acciona un compresor. Alrededor de los cables de alimentación a estos equipos se pro-
duce un flujo magnético variable. También se produce flujo magnético variable si la
intensidad eléctrica varía como consecuencia de haberse producido cambios de carga
en los equipos mencionados.
ELECTRICIDAD BÁSICA
Como conclusión se puede decir que la variación de flujo determina la aparición
de tensión inducida, así como su magnitud. La variación de flujo ha de producirse
durante un periodo de tiempo determinado, lo que expresado matemáticamente corres-
ponde a la ley de Faraday:
ddp = �
d
d
F
t
�
que puede expresarse diciendo que «en un conductor introducido dentro de un campo
magnético, se inducirá una tensión cuya magnitud es igual a la variación de flujo con
respecto al tiempo». La ecuación anterior representa la forma más simplede expresar
la ley de la inducción electromagnética.
1.6.2. Pantalla electrostática para cables
Cuando concurren próximos o paralelos en su recorrido cables de corriente alterna
y cables de señal de medida de instrumentos, se producen acoplamientos debidos al
campo magnético generado o a procesos capacitivos entre cables. En cualquiera de los
casos se puede producir una perturbación en la señal de medida, sobre todo cuando se
trata de milivoltios, como es el caso de la medida con termopares, donde, por ejemplo,
en un termopar tipo «K» una diferencia de potencial de 1 mV equivale a una diferen-
cia aproximada de temperatura de 20 °C. Como puede deducirse, es necesario prote-
ger los cables de señal frente a campos que produzcan efectos de inducción electro-
magnética o efectos capacitivos entre cables adyacentes. Para ello se utilizan diversos
tipos de pantallas electrostáticas, unas veces para proteger los conductores de menor
nivel eléctrico y otras para aislar los conductores de mayor nivel eléctrico. En la
mayoría de los casos los cables de señal están trenzados (twisted), consiguiendo de
esta manera cierto grado de protección frente a interferencias electrostáticas, aunque
el mejor sistema consiste en utilizar algún tipo de apantallamiento.
Un montaje típico para aislamiento de conductores consiste en hacer pasar los
cables de alimentación eléctrica por el interior de tubos metálicos, conocido como
conduit, porque si el cable está encerrado completamente en una envolvente metálica,
el campo eléctrico terminará en el interior de esa envolvente, sin ninguna influencia
sobre los cables situados en el exterior. También se puede llevar a cabo el montaje
contrario, es decir, introducir los cables de señal en tubos metálicos.
Otro tipo de aislamiento o protección, en función de si el cable en particular es de
alto o bajo nivel, consiste en la utilización de pantallas electrostáticas. A la hora de
elegir el tipo de apantallamiento hay que tener en cuenta que este debe proporcionar:
• Protección eléctrica.
• Flexibilidad del cable.
La Figura 1.27 muestra diversos tipos de apantallamiento de los más utilizados,
como son:
• Malla de hilo metálico trenzado.
• Hilos metálicos arrollados en espiral.
• Cinta envolvente de aluminio.
31
Con la pantalla o malla trenzada se consigue como máximo una protección de 95
%, pudiendo bajar a 60 % en función del tupido de la malla. La flexibilidad disminuye
a medida que aumenta la protección, o lo que es igual, el tupido de la malla.
Los hilos metálicos arrollados en espiral tienen una protección máxima similar a
las mallas. La flexibilidad del cable también es similar, aunque en este caso se añade
peso al cable, aumentando también su diámetro.
Por último, la cinta de aluminio proporciona 100 % de cobertura y aumenta muy
poco el diámetro del cable debido al poco espesor de la cinta, haciéndolo por tanto
más ligero.
En cualquiera de los casos, tanto la malla como el hilo en espiral o la cinta de alu-
minio se deben conectar en un solo punto, normalmente la sala de control, para deri-
var a tierra las corrientes parásitas. La Figura 1.28 muestra un diagrama típico de
conexionado de transmisores de caudal en el cual aparecen dos tramos: uno de ellos
está formado por un par individual apantallado desde el transmisor a la caja de unión
situada en campo y otro tramo desde la caja de unión hasta el armario de entrada al
sistema de control. Este último tramo lo constituye habitualmente un multicable de 6,
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS32
Figura 1.27
Hilo de conexión
de masa
Par trenzado
Malla
trenzada
Cubierta
Cubierta
Par trenzado
Par trenzado
Hilo arrollado
en espiralConexión
a masa
Cinta
envolvente
de aluminio
Figura 1.28
ELECTRICIDAD BÁSICA
12 ó 24 pares con apantallamiento global a todos ellos. Tanto el par individual como
los pares que forman el multicable están trenzados, para añadir algo más de protec-
ción electrostática.
En las cajas de campo deben unirse todas las pantallas individuales de los trans-
misores a la pantalla global del multicable. Existen varias formas de llevar a cabo
esta unión, bien por medio de bornas como muestra la Figura 1.28, o colocando una
pletina de cobre en el interior de la caja para conectar todas las pantallas. En este
último ejemplo no es necesario colocar las bornas denominadas G en la Figura 1.28.
En cualquier caso, en panel solo es necesaria una conexión para la pantalla global del
multicable.
La conexión a tierra G (ground), también denominada S (shield), se realiza única-
mente en el edificio de control para derivar las posibles señales inducidas en un solo
punto con potencial cero. Si también se conecta el extremo del transmisor a tierra se
puede establecer una ddp entre ambos extremos si ambas conexiones a tierra tienen
diferente potencial, cosa que ocurre con frecuencia porque dentro de la unidad los
equipos eléctricos de gran consumo están conectados a tierra, lo que ocasiona picos
de tensión sobre todo durante las puestas en marcha y parada de motores.
1.6.3. Solenoides
Una bobina, o solenoide, es un conjunto de espiras de hilo conductor, generalmen-
te de cobre, devanadas en espiral. Como se ha dicho anteriormente, alrededor de un
conductor eléctrico se produce un campo electromagnético. Cuando se trata de una
bobina se ocasionará una concentración de ese campo electromagnético dentro de la
misma, tanto más potente cuanto mayor sea el número de espiras.
Introduciendo una varilla de hierro en el interior de una bobina y haciendo circular
por la misma una corriente eléctrica se magnetizará la varilla debido a la inducción
producida por el campo electromagnético. El conjunto de bobina y núcleo de hierro se
conoce como electroimán, cuyo comportamiento, cuando la bobina está bajo tensión,
es similar al de un imán permanente.
Una de las aplicaciones del electromagnetismo son los relés, los cuales constan
básicamente de una bobina con núcleo de hierro encima del cual se coloca una lámina
metálica sujeta con un resorte para recuperar la posición cuando no existe paso de
corriente por la bobina y, por tanto, no actúa como electroimán.
La Figura 1.29 muestra esquemáticamente un relé desenergizado con un solo jue-
go de contactos, uno de ellos normalmente cerrado (NC) y otro normalmente abierto
(NA). Este juego de contactos se conoce como «single-pole double-throw» (SPDT),
del cual podría decirse que se trata de un conmutador simple. Cuando en lugar de un
juego de contactos se incorporan dos, la denominación pasa a ser DPDT.
Cuando la bobina no tiene alimentación eléctrica el resorte recupera la posición de
partida haciendo que permanezca cerrado el contacto NC. Cuando se aplica tensión a
la bobina se magnetiza el núcleo, atrayendo la lámina metálica. En ese momento se
abre el contacto NC y se cierra el NA. En este punto hay que decir que la denomina-
ción de los contactos NA y NC corresponde a la posición en que se encuentran cuan-
do la bobina no tiene tensión. Estos contactos se suelen conocer como «Normally
Open» y «Normally Closed» respectivamente.
33
De acuerdo al comportamiento explicado se puede decir que un relé sirve para
abrir o cerrar un circuito aprovechando la corriente que pasa por otro circuito. Si los
contactos se hacen suficientemente grandes se puede cerrar un circuito, por el que cir-
cula gran intensidad, valiéndose de una corriente pequeña para accionar la bobina.
En la Figura 1.30 aparece un ejemplo simple de la función realizada por un relé
utilizado para alimentar una resistencia con una potencia de 2.200 VA. El circuito de
mando se alimenta de una fuente de 24 Vcc, pasando por el contacto de mando una
intensidad de 100 mA. Este contacto puede proceder de un sistema de control, como
salida digital libre de potencial, alimentada con los 24 Vcc. El circuito de potencia se
alimenta de 220 Vca, pasando por el relé cuyos contactos soportan una intensidad de
10 A. Como se puede ver, una señal muy débil puede gobernar otra de gran potencia a
través del elementoseparador formado por el relé.
Otra de las aplicaciones típicas del electromagnetismo lo constituyen las electro-
válvulas, también conocidas como válvulas de solenoide.
La Figura 1.31 muestra una electroválvula de dos vías seccionada, tanto en posi-
ción cerrada como abierta. Aunque existen varias combinaciones, dependiendo del
circuito donde se han de instalar, las más utilizadas son las de dos y tres vías. En la de
tres vías, cuando se energiza la bobina se abre una vía y se cierra la otra. En la de dos
vías, como la que aparece en la Figura 1.31, solo se tiene la opción de abrir o cerrar el
paso de fluido a través de la electroválvula.
Una válvula de solenoide está formada fundamentalmente por el cuerpo de la pro-
pia válvula, un núcleo magnético unido por medio de un vástago al obturador y una
bobina. En este ejemplo un pequeño resorte hace que la válvula se encuentre cerrada
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS34
Figura 1.29
LÁMINA
METÁLICA
R
E
S
O
R
T
E
B
O
B
IN
A
Contacto
común
Contacto
normalmente
cerrado
Contacto
normalmente
abierto
Conexiones
eléctricas
Figura 1.30
ELECTRICIDAD BÁSICA
inicialmente. Cuando se energiza eléctricamente la bobina se produce la apertura de la
válvula de paso, comprimiendo el resorte. Existe otro tipo de electroválvula en la que
inicialmente se encuentra abierto el paso de fluido, cerrándose cuando se energiza la
bobina.
Por medio de una electroválvula se puede abrir o cerrar el paso de un producto,
por ejemplo aire de instrumentos, fluido de un circuito hidráulico, etc., por medio de
una señal eléctrica.
1.6.4. Transformadores
De forma general un transformador es un conjunto de dos bobinas de hilo, gene-
ralmente de cobre, devanadas alrededor de un núcleo de material ferromagnético que
tiene la función de acoplarlas magnéticamente. 
La Figura 1.32 muestra esquemáticamente un transformador, así como el símbolo
que se utiliza para representarlo. La bobina conectada al generador que alimenta al
transformador se conoce como primario, mientras que la bobina conectada al receptor
se denomina secundario.
Cuando se colocan dos bobinas de cobre sobre un núcleo, una parte del flujo mag-
nético de una de ellas es captado por la otra. De esta manera la corriente eléctrica que
35
Bobina
Núcleo
Resorte
Entrada
Cuerpo
Salida
Obturador
Asiento
Conexiones
eléctricas
Figura 1.31
Figura 1.32
cambia en una de las bobinas da origen a una fem inducida en la otra, sin que exista
conexión eléctrica entre ellas.
Los transformadores se utilizan en corriente alterna. En corriente continua, al apli-
car voltaje al primario se induce un voltaje en el secundario, pero inmediatamente des-
pués la ddp en el secundario será cero al no haber cambio de flujo en el primario.
En un transformador con núcleo de buena calidad prácticamente todo el flujo mag-
nético que pasa por una bobina también pasa por la otra, por lo que a efectos prácticos
se considera que toda la potencia recibida en el primario pasa al secundario, lo que
supone un rendimiento 100 %. Realmente el rendimiento se reduce como consecuen-
cia de dispersión de flujo, calentamiento de las bobinas, etc., por lo que el rendimien-
to real puede estar en torno al 98 %.
En la Figura 1.32 se muestra un núcleo cerrado sobre el que se encuentran devana-
das las bobinas. En la práctica es difícil llevar a cabo este devanado, por lo que se
recurre a dividir el núcleo en dos trozos, siendo el más utilizado el que se compone de
una pieza en forma de I y otra en forma de E, tal como aparece en la Figura 1.33.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS36
Figura 1.33
Las bobinas se colocan superpuestas, el secundario sobre el primario, en el brazo
central de la E, y las chapas se van colocando de forma alternada para evitar que coin-
cidan las juntas y puedan ocasionar fugas en el flujo magnético. Las chapas metálicas
se encuentran aisladas entre sí por medio de barnices, papel adherido por una de las
caras o cualquier otro procedimiento que consiga el aislamiento.
La ecuación de Faraday mostrada anteriormente es válida para bobinas con una
sola vuelta, o espira, como se conoce técnicamente. Para bobinas con mayor número
de espiras el voltaje inducido será:
ddp =
N
d
d
t
F

donde N es el número de espiras. 
Suponiendo un rendimiento 100 % en el transformador, todo el flujo magnético
atravesará las dos bobinas, por lo que:

N
V1
1
 =
d
d
F
t
1
≅
N
V2
2
 =
d
d
F
t
2

ELECTRICIDAD BÁSICA
Al ser iguales los flujos magnéticos:

N
V1
1
 = 
N
V2
2
⇒
V
V
1
2
 = 
N
N
1
2

Por lo que la relación entre voltajes primario y secundario será prácticamente igual
a la relación entre el número de espiras de ambos devanados. Para un transformador
ideal, las potencias en el primario y secundario serán iguales de acuerdo al principio
de conservación de energía, por lo que:
V1 * I1 = V2 * I2
De la misma manera que con la relación de tensiones:

I
I
1
2
 = 
N
N
2
1
 = 
V
V
2
1

Como consecuencia el voltaje y la intensidad cambian con el número de espiras,
pero el producto de ambos se mantiene constante. Llamando N2/N1 = α se tiene que
para α > 1 el transformador será elevador de tensión mientras que para α < 1 será
reductor de tensión. Este parámetro α se conoce como relación de transformación, y
le da el nombre al transformador.
A continuación se presentan una serie de fórmulas simplificadas para calcular
transformadores de pequeña potencia utilizando chapa magnética como núcleo.
Sección del núcleo en cm2 en función de la potencia deseada:
S = 0,6 * �W + 10�%�
Vueltas por voltio en los devanados primario y secundario:
N = �
35
S
,4
�
Sección del hilo primario en mm2 en función del voltaje:
SP = �
3
W
* V
�
Sección del hilo secundario en mm2 en función de la intensidad necesaria en este
devanado, o en función del voltaje:
SP = �
3
I
� = �
3
W
* V
�
Ejemplo de cálculo: Se desea construir un transformador para una potencia de 10
VA con una tensión de alimentación en el primario de 220 V para alimentar un recep-
tor cuya tensión en corriente continua sea de 9 V. Suponiendo que va a existir una caí-
da de tensión de 3 V en el rectificador y estabilizador, la tensión en el devanado secun-
dario ha de ser de 12 V.
S = 0,6 * �1�0� +� 1� = 2 cm2
37
N= �
35
2
,4
� = 17,7 espiras por voltio
NP = 220 * 17,7 = 3.894 espiras en el primario
NS = 12 * 17,7 = 212 espiras en el secundario
SP = �
3 *
10
220
� = 0,015 mm2 ⇒ 0,14 mm de diámetro
SS = �
3
1
*
0
12
� = 0,277 mm2 ⇒ 0,60 mm de diámetro
La fórmula mostrada es una simplificación en la que se supone que la chapa de
material ferromagnético es de una calidad aceptable. Realmente la ecuación para cal-
cular el número de espiras en cada uno de los devanados es la siguiente:
N = �
4,44
V
*
*
F
1
*
08
S * β
�
donde:
V = Voltios del devanado.
F = Frecuencia (50 Hz).
S = Sección del núcleo (cm2).
β = Factor en función del tipo de chapa (Gauss).
Por último, la Figura 1.34 muestra una serie de transformadores de pequeña poten-
cia de acuerdo a los conceptos descritos en este apartado.
1.7. Corriente alterna 
En este apartado se van a ver algunos conceptos elementales acerca de la corriente
alterna, la cual invierte su sentido de forma periódica, con lo que tanto fem como
intensidad están variando constantemente.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS38
Figura 1.34
ELECTRICIDAD BÁSICA
La Figura 1.35 muestra gráficamente la representación de la corriente alterna
senoidal por ser la más utilizada. Los valores absolutos de esta corriente son propor-
cionales a los valores de los senos de los ángulos comprendidos entre 0 y 360 grados.
Esta representación corresponde a la corriente alterna monofásica.
Se denomina ciclo, o periodo, al tiempo que tiene que transcurrir para que la
corriente vuelva a alcanzar un valor igual al de partida. Normalmente se suele utilizar
el valor inverso, denominado frecuencia, el cual es el número de veces que se repitenlos mismos valores en cada segundo. Una frecuencia de 50 ciclos por segundo signifi-
ca que la fem tarda 1/50 de segundo en adquirir el mismo valor, o, lo que es igual, un
valor determinado se repite 50 veces en cada segundo. La unidad práctica de frecuen-
cia es el hercio (Hz), equivalente a 1 ciclo por segundo. La frecuencia utilizada en
Europa es de 50 Hz o 50 ciclos por segundo.
1.7.1. Corriente trifásica
La corriente alterna puede ser monofásica o polifásica. De esta última la más utili-
zada es la corriente trifásica, formada por tres monofásicas de la misma amplitud y
periodo, desfasadas un ángulo de 120°, tal como muestra la Figura 1.36.
En la corriente monofásica existen dos cables conectados a los extremos de la
bobina donde se genera la corriente. Siguiendo con este razonamiento, al existir tres
bobinas generadoras la corriente trifásica debería tener seis cables, cuando realmente
en las conexiones exteriores solo existen tres, denominados R, S y T para diferenciar
las líneas, conocidas habitualmente como fases. Esto se debe a que existen dos tipos
de acoplamiento de estas bobinas, mostrados en la Figura 1.37 y conocidos como
conexiones en triángulo y estrella.
La conexión en triángulo se denomina así al disponer los bobinados en esta forma
geométrica. Entre cada dos fases existe una ddp que corresponde a la existente en la
bobina en concreto. Suponiendo que se trata de un sistema trifásico de 220 V, la ten-
sión entre cada dos fases, por ejemplo R y S, será de 220 V. Sin embargo, la intensidad
que circula por una fase depende de la que circula por cada dos bobinas, de acuerdo a
39
Figura 1.35
V
ol
ta
je
la primera ley de Kirchhoff. Sin entrar a ver su proceso de cálculo, y suponiendo que
las cargas se encuentran equilibradas entre las fases, la intensidad en una de ellas será:
IR = IS = IT = �3� * IB
En la conexión en estrella se une uno de los extremos de cada bobina a una de las
líneas exteriores, mientras que los tres extremos restantes se unen entre sí. La suma de
las intensidades que entran y salen del punto de unión de las bobinas es nula de acuer-
do a la primera ley de Kirchhoff. Como consecuencia, la intensidad que circula por
cada una de las líneas y cada una de las bobinas es la misma. Por otro lado, la ddp
entre el punto medio y cualquiera de las fases corresponderá a la de una bobina, mien-
tras que la existente entre dos fases, por ejemplo R y S, será:
VRS = �3� * BB2
Por último, la potencia, tanto en la conexión en estrella como en triángulo, será:
P = �3� * V * I * cos ϕ
Como ejemplo de este apartado se presenta un diagrama de conexionado eléctrico
de receptores a partir de una línea trifásica con neutro. Como se ha visto, el punto
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS40
Figura 1.36
Figura 1.37
ELECTRICIDAD BÁSICA
medio de la conexión en estrella es un punto nulo por existir equilibrio, por lo que a
este punto se conecta el neutro para su distribución exterior.
La Figura 1.38 muestra un sistema simplificado de alimentación trifásica con neu-
tro. La tensión entre fases es de 380 Vca. De acuerdo a lo visto anteriormente, la ten-
sión entre fase y neutro será:
VFN = �
VFF
�
�3�
VFN = �
1
3
,7
8
3
0
2
� = 219,4 ≅ 220 Vca
Si en lugar de tratarse de una red de 380 Vca fuese de 220 Vca, la tensión entre
fase y neutro sería 127 Vca, generalmente conocida como 125 Vca.
Actualmente se tiende a utilizar una red trifásica de 400 Vca, en cuyo caso la ten-
sión entre fase y neutro se reduce a 230 Vca.
VFN = �1
4
,7
0
3
0
2
� = 230,9 ≅ 230 Vca
1.7.2. Diagramas unifilares
En este apartado se presenta un esquema o diagrama unifilar de alimentaciones
eléctricas. Se trata de un diagrama muy sencillo, puesto que solo se pretende ver los
principales conceptos.
En la Figura 1.39 se parte directamente de unas barras de alimentación trifásica
con neutro. Con objeto de que se parezca a los diagramas utilizados en la práctica, se
han utilizado diferentes tipos de simbología en las representaciones que aparecen a la
izquierda y la derecha. Los valores que aparecen, tanto de potencias como de intensi-
dades, son solamente a efectos indicativos, por lo que no hay que buscarle concordan-
cias desde el punto de vista de cálculos.
En la representación que aparece en la parte izquierda se tienen 3 fusibles de 125
A, uno por cada fase (R, S, T), mientras que el seccionador o interruptor es de 4 polos
(4 P), es decir, secciona tanto las tres fases como el neutro. A continuación se tiene un
41
Figura 1.38
transformador de 50 kVA donde se reduce la tensión de 380 a otra también trifásica de
220 Vca. Se dispone de indicadores de tensión (voltímetros) y de intensidad (amperí-
metros), para conocer las diferentes tensiones entre fases y consumo por cada una de
las fases. La salida de este transformador alimenta un cuadro de distribución donde
existen consumidores de corriente a 220 Vca y 127 Vca.
En el cuadro de distribución es necesario realizar un reparto de consumos para
equilibrar o igualar la intensidad que ha de circular por cada una de las fases. Por esta
razón las bornas de conexión aparecen marcadas con la fase a la cual se ha conectado
ese usuario, así como el neutro (N) y la tierra (T) de protección. Por ejemplo, el usua-
rio 1 está conectado a las fases R y S, así como a la tierra (T). El segundo usuario a la
fase R, neutro N y tierra T, y así sucesivamente con el resto de usuarios. Por esta razón
el primero dispone de 220 Vca y el segundo de 127 Vca.
Para cada uno de los usuarios se dispone de un interruptor magnetotérmico que
secciona los dos polos (2 P), con la intensidad adecuada para el consumo en particular
de ese usuario. La tierra no se debe seccionar.
En la representación que aparece a la derecha se tienen 2 fusibles de 40 A y un seccio-
nador doble de 25 A. Este circuito alimenta a un transformador monofásico de aislamien-
to, puesto que tanto el primario como el secundario están bobinados para una tensión de
220 Vca. En este caso los usuarios del cuadro de distribución son todos a 220 Vca, con
magnetotérmicos dobles para la intensidad que ha de consumir cada uno de ellos.
Se puede ver que las líneas están cruzadas por el número de conductores que exis-
ten realmente. Igual ocurre con los interruptores o seccionadores que están marcados
con números romanos, a diferencia de la representación que aparece a la izquierda en
la cual se identifican por el número de polos.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS42
Figura 1.39
Electrónica básica
2.1. Introducción a la electrónica
Igual que ocurre con el capítulo de electricidad básica, este otro pretende dar a
conocer los conceptos fundamentales de electrónica básica, por lo que su intención no
va más allá de este objetivo.
Electrónica significa ciencia del electrón. La electricidad y la electrónica tratan
corrientes de electrones, por lo que es preciso distinguir dónde termina una y empieza
la otra. La primera denominación de electrónica se debe a las corrientes de electrones
que fluyen en el interior de las válvulas electrónicas, por lo que originalmente se decía
que la electrónica incluía el estudio de cualquier equipo que utilizase válvulas.
Posteriormente, con la aparición de los semiconductores, esta ciencia también se
amplió a los equipos que hacen uso de estos materiales.
En primer lugar hay que mencionar que en la naturaleza existen materiales con-
ductores, semiconductores y no conductores o aislantes. 
La siguiente tabla muestra un par de materiales de cada uno de los tipos descritos.
Como se puede ver, la diferencia de resistividad entre los semiconductores y los no
conductores es muy pequeña en comparación con la que existe entre semiconductores
y buenos conductores. Una de las principales características que diferencia a los semi-
conductores es que permiten bien el paso de corriente en un sentido mientras que ofre-
cen resistencia en el sentido opuesto.
En los circuitos eléctricos se utilizan habitualmente cinco tipos de componentes,
como se ha vistoen el capítulo dedicado a electricidad básica. Estos componentes son:
resistencias, condensadores, bobinas, transformadores e interruptores. Existen otros
tipos de componentes que solo se utilizan en electrónica: tubos de vacío o llenos de
gas y semiconductores como diodos, transistores, circuitos integrados, etc. La utiliza-
ción de estos componentes marca la diferencia entre electricidad y electrónica.
2.1.1. Circuitos electrónicos
Existe gran cantidad de equipos electrónicos, pero todos ellos están formados por
una combinación de circuitos. Concretamente existen tres circuitos electrónicos básicos:
2
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 43
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS44
• Rectificadores. Transforman la corriente alterna en corriente continua. Su uso
más habitual se encuentra en las fuentes de alimentación.
• Amplificadores. Convierten pequeñas señales en otras más potentes para accio-
nar sistemas que las señales débiles no son capaces de mover.
• Osciladores. Generan tensiones de corriente con las frecuencias adecuadas para
la aplicación concreta que se necesite.
Un ejemplo doméstico que contempla estos tres tipos de circuitos se tiene en el
radiorreceptor. En primer lugar es necesaria una fuente de alimentación para aportar
energía, en este caso las pilas. Para captar la frecuencia de transmisión de una emisora
se está modificando la capacidad de un condensador variable, conectado en paralelo
con una bobina. Este conjunto es un oscilador cuya frecuencia de oscilación depende
de la variación de capacidad. Por último es necesario amplificar la pequeña señal
obtenida en la sintonización del oscilador para hacerla audible en el altavoz.
En los apartados siguientes se van a ver con algo de detalle las características y
fundamentos teóricos de cada uno de estos circuitos, así como de las partes en que se
divide cada uno de ellos.
2.2. Fuente de alimentación
La fuente de alimentación se diseña en función del uso al que se destina. En este
apartado, y a modo de ejemplo, se describe una fuente que transforma 220 Vca en 24
Vcc, que es una tensión habitual de alimentación para los elementos que componen
los sistemas de control. La Figura 2.1 muestra este tipo de fuente de alimentación, la
cual además de convertir la corriente alterna en corriente continua proporciona aisla-
miento eléctrico entre la red de alimentación y la salida.
Para conseguir la conversión de corriente alterna a corriente continua la fuente de
alimentación está dividida en varias partes, como son:
• Transformador.
• Rectificador.
TABLA DE RESISTIVIDADES: ρ = Ω 
m
m
m2

Material Aplicación principal Resistividad
Buenos Cobre Hilos, cables 0,017
conductores Aluminio Chasis, blindajes 0,028
Malos Wolframio Filamento de lámparas 0,550
conductores Carbón Resistencias 20 a 100
Semiconductores Germanio Diodos, transistores 106
Silicio Diodos, transistores 109
No conductores Baquelita Regletas de conexión 1010
(aislantes) Vidrio Aisladores alta tensión 1014
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 44
ELECTRÓNICA BÁSICA
• Filtro.
• Regulador. 
El sistema de regulación o estabilización de tensión es opcional, de forma que unas
fuentes lo tienen y otras no según la utilización que se va a dar a la fuente o los reque-
rimientos del receptor de la corriente que suministra.
Una vez vistos los diferentes bloques que componen una fuente de alimentación,
el esquema general de la Figura 2.1 puede descomponerse en otro como el de la
Figura 2.2.
En los apartados siguientes se describen con algo de detalle cada uno de estos blo-
ques.
2.2.1. Transformador
Como se ha visto en el capítulo correspondiente a electricidad básica, el transfor-
mador está formado básicamente por un devanado denominado primario que se
conecta a la red de donde se va a tomar la corriente alterna a transformar, y otro deva-
nado denominado secundario calculado para obtener la tensión alterna necesaria que
será convertida después a corriente continua. Si en el ejemplo se desean 24 Vcc, es
necesario obtener más de 24 Vca para compensar las pérdidas en los circuitos que
componen la fuente y que se verán posteriormente. Tanto primario como secundario
se encuentran devanados sobre un núcleo de material ferromagnético. La Figura 2.3
muestra el esquema del transformador de este ejemplo.
En el secundario aparecen 28 Vca para compensar la caída de tensión en rectifica-
dor, filtro y regulador. Pueden existir varios secundarios dependientes del mismo pri-
mario. La tensión inducida en el secundario depende de la relación de espiras (vueltas
alrededor del núcleo) entre ambos devanados.
Sin entrar aquí a calcular el transformador, por haber visto un caso en el capítulo
anterior a modo de ejemplo se menciona que después de efectuar las operaciones
45
Figura 2.1
Figura 2.2
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 45
necesarias se ha obtenido un número de 10 espiras por voltio. Por tanto en los devana-
dos primario y secundario se tendrán:
Primario = 220 * 10 = 2.200 espiras
Secundario = 28 * 10 = 280 espiras
La sección de los hilos de cada uno de los devanados estará calculada para sopor-
tar la intensidad de cálculo. En este caso la sección del primario será mucho más
pequeña que la del secundario porque ambos han de soportar la misma potencia.
Teniendo en cuenta que: 
Potencia = Voltaje * Intensidad
la intensidad del primario será mucho más pequeña al ser mayor el voltaje.
Como resumen se puede decir que el transformador utilizado como ejemplo tiene
básicamente dos funciones:
• Reducir la tensión de corriente alterna.
• Aislar o separar entre sí los devanados primario y secundario.
2.2.2. Rectificador
El siguiente elemento de la fuente de alimentación es el rectificador, el cual tiene
por objeto convertir la corriente alterna en continua. Realmente la corriente alterna no
se convierte directamente a corriente continua, sino que lo hace a corriente pulsante o
pulsatoria de media onda o de onda completa. Para ello se utilizan diodos, elementos
que por ser semiconductores dejan pasar la corriente del ánodo al cátodo y lo bloquean
en sentido opuesto. De alguna manera tienen un comportamiento similar al de una
válvula de retención colocada en una tubería de proceso.
La Figura 2.4 muestra cinco diodos de diferentes tamaños en función de la intensi-
dad que han de soportar, así como el símbolo que se utiliza habitualmente para repre-
sentarlos. Estos elementos disponen de dos polos conocidos como ánodo y cátodo.
Los diodos de la parte izquierda disponen de tornillos para ser colocados sobre chapas
disipadoras de calor por ser de gran potencia.
Los diodos tienen un funcionamiento tal que:
• No conducen cuando están polarizados en sentido inverso, es decir, la tensión
que le llega al ánodo es negativa.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS46
Figura 2.3
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 46
ELECTRÓNICA BÁSICA
• Conducen aunque la tensión aplicada sea muy pequeña si la polarización es
directa, es decir, la tensión que le llega al ánodo es positiva.
Haciendo un símil con un interruptor, cuando el diodo no conduce se dice que está
«abierto», y cuando conduce se dice que está «cerrado». 
La Figura 2.5 muestra dos formas de conexión del diodo en un circuito que ali-
menta una resistencia como carga, así como un circuito hidráulico equivalente impul-
sado por una bomba, en el que se ha instalado una válvula de retención representada
como un interruptor. Cuando el sentido de flujo es el indicado por el detalle 1, el flui-
do circulará sin ninguna obstrucción porque él mismo empuja la clapeta de cierre de
la válvula. Esta situación es equivalente a la de un diodo polarizado en sentido direc-
to, el cual permite la conducción de corriente. Si se hace girar la bomba en sentido
inverso también se invertirá el sentido de flujo como indica el detalle 2, en cuyo
momento se cortará el paso de fluido al empujar este la clapeta contra el tope mecáni-
co haciendo que se cierre la válvula. Esta situación es equivalentea la del diodo pola-
rizado en sentido inverso, el cual bloquea el paso de corriente.
En realidad cualquier diodo solo se encuentra en situación de bloqueo mientras la
tensión inversa aplicada es inferior a un cierto valor característico de cada uno de
ellos. Cuando se supera este valor se produce la circulación de corriente de forma
brusca y se dice que el diodo se encuentra en la región de ruptura. En el símil hidráu-
lico de la Figura 2.5 podría darse esta situación si la presión alcanzada en el circuito,
cuando la válvula está cerrada, fuese lo suficientemente alta para romper el sistema de
bloqueo de la clapeta.
47
Figura 2.4
Figura 2.5
ÁNODO CÁTODO
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 47
En el apartado correspondiente a diodos LED se puede ver la composición y fun-
cionamiento de un diodo desde el punto de vista de cargas eléctricas.
La Figura 2.6 muestra la curva característica de un diodo, en la que se puede ver
que con polarización directa (estado de conducción), basta aplicar una pequeña ten-
sión para que permita el paso de corriente, mientras que con polarización inversa
(estado de bloqueo), solo existe una pequeña corriente de fuga en microamperios has-
ta alcanzar la tensión de ruptura, en cuyo momento aumenta bruscamente el paso de
corriente.
Una vez visto el comportamiento del diodo, es evidente que se puede utilizar como
rectificador de corriente alterna, bien de onda completa o de media onda. Realmente
se trata de impedir que pasen los semiciclos de corriente alterna situados por debajo
de cero, es decir, los semiciclos negativos.
La Figura 2.7 muestra un circuito rectificador de media onda colocando un diodo
en uno de los conductores de corriente alterna. El diodo rectificador deja pasar la
corriente solo durante el semiciclo positivo de la corriente alterna, bloqueando los
ciclos negativos. La corriente así obtenida no es totalmente continua sino pulsatoria.
Para obtener corriente pulsatoria con ambos semiciclos de la corriente alterna se
puede utilizar un transformador con secundario partido y dos diodos rectificadores tal
como muestra la Figura 2.8. Este procedimiento no suele ser económicamente rentable
debido a que el transformador necesita doble devanado y, por tanto, mayor tamaño.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS48
INTENS. (A)
TENSION (V)
VOLTAJE
INVERSO
VOLTAJE
DIRECTO
CONDUCCIÓN
400 200
1 2 3
BLOQUEO
INTENS. (mA)
R
U
P
T
U
R
A
Figura 2.6
Figura 2.7
´
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 48
ELECTRÓNICA BÁSICA
Durante el semiciclo positivo de la corriente alterna el diodo 1 deja pasar la
corriente hacia el lado positivo de corriente pulsatoria, retornando a través de la carga
a la masa del circuito, donde también se encuentra conectada la toma central del trans-
formador. Durante el semiciclo negativo se repite lo mismo pero pasando primero por
el diodo 2.
Otro procedimiento consiste en utilizar un solo devanado secundario y una confi-
guración de diodos denominada puente, como aparece en la Figura 2.9.
49
0 V
0 V
+
+
Carga
1
2
Figura 2.8
0 V+
0 V
+
+
Carga
1
2
3
4
Figura 2.9
+
Carga
0 V
1 2
4 3
Figura 2.10
Con esta configuración, durante el semiciclo positivo de la corriente alterna el dio-
do 1 deja pasar la corriente hacia el hilo positivo de corriente pulsatoria, retornando
desde el hilo negativo a través del diodo 3 al otro extremo del devanado, después de
atravesar la carga. De esta forma se rectifica el semiciclo positivo de la corriente alter-
na. Durante el semiciclo negativo el camino es igual pero a través de los diodos 2 y 4
respectivamente.
En muchas ocasiones el puente rectificador de la Figura 2.9 se representa como
aparece en la Figura 2.10. En cualquiera de los casos siempre conducen dos diodos en
diagonal durante cada semiperiodo.
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 49
2.2.3. Filtro
Por medio del transformador y rectificador se obtiene corriente continua pulsato-
ria de media onda o de onda completa con un cierto componente de corriente alterna.
Realmente la rectificación de media onda no suele ser utilizada, por lo que se supone
que siempre se va a utilizar rectificación de onda completa. Al mismo tiempo, la pul-
satoria ha de ser filtrada para acercarse cuanto sea posible a la corriente continua. Para
ello entra en juego un nuevo componente, el condensador.
Como se ha visto en el capítulo de electricidad básica, cuando se conecta un conden-
sador a una batería se produce la carga del mismo, de forma que al cabo de un cierto
tiempo la tensión en los extremos del condensador será igual a la que tiene la batería. Si
el condensador se conecta a una corriente pulsatoria se llevarán a cabo una serie de car-
gas y descargas parciales del condensador, tal como muestra la Figura 2.11. Ya se vio
que la carga no se realiza de forma instantánea sino que se puede considerar cargado el
condensador al cabo de 5 constantes de tiempo. Como consecuencia, con el primer
semiciclo se llevará a cabo una carga parcial, iniciándose una descarga, también parcial,
hasta que la parte ascendente del segundo semiciclo alcanza el valor donde se encuentra
en ese momento la tensión en el condensador, iniciándose de nuevo otra carga parcial. 
El ciclo descrito se repite, cada vez partiendo de una mayor carga y llevando a
cabo una menor descarga. De esta manera se filtra la ondulación procedente de la
corriente pulsatoria, que pasa a corriente continua.
En función del tipo de circuito a alimentar con corriente continua se pueden utili-
zar diversos tipos de filtro, desde el más simple de la Figura 2.11 con un solo conden-
sador, hasta otros más complejos; uno de los más comunes es el que aparece en la
Figura 2.12, formado por dos condensadores y una resistencia. Cuando la intensidad a
suministrar por la fuente es alta, y con objeto de reducir la caída de tensión que oca-
siona la resistencia, esta se sustituye por una bobina o inductancia, la cual opone una
mayor resistencia al paso de la corriente alterna residual que la propia resistencia pura;
al mismo tiempo opone menor resistencia al paso de corriente continua. De esta mane-
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS50
CC
Ent. Sal.
Figura 2.11
++
Entrada Salida
Figura 2.12
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 50
ELECTRÓNICA BÁSICA 51
INTENS. (A)
TENSION (V)
VOLTAJE
INVERSO
VOLTAJE
DIRECTO
CONDUCCIÓN
VOLTAJE
ZENER
20 10
1 2 3
Figura 2.13
ra la caída de tensión en el filtro es menor con una inductancia que con una resisten-
cia. Este filtro se denomina tipo «Pi» por su similitud con la letra griega. 
Dado que este apartado solo tiene por objeto conocer cómo funcionan los filtros,
no se considera necesario profundizar en cuanto al valor de los condensadores, resis-
tencias o bobinas a utilizar en los mismos. De todas formas se puede mencionar que
estos valores dependerán del voltaje de entrada, el voltaje de salida y la potencia a
suministrar, o intensidad en el circuito de salida. 
2.2.4. Regulador de tensión
Un regulador, o estabilizador de tensión, es un circuito que genera una tensión de
salida constante a partir de una tensión de entrada sin regular. El regulador se conecta
a continuación del condensador o filtro, tal como aparece en la Figura 2.2.
Al hablar de estabilización de tensión el primer elemento que aparece en escena es
el diodo Zener. Anteriormente se ha visto el comportamiento de un diodo normal, el
cual se comporta como si fuera un interruptor que bloquea o deja pasar la corriente en
función de si está polarizado en sentido inverso o directo respectivamente.
El diodo Zener actúa exactamente igual que un diodo normal cuando se encuentra
polarizado en sentido directo, es decir, se comporta como un interruptor cerrado,
mientras que cuando su polarización es inversa deja pasar una pequeña corriente de
saturación que permanece constante aunque aumente la tensión aplicada. Cuando se
alcanza la tensión Zener aumenta rápidamente la corriente de paso a causa de un efec-
to denominado avalancha.En este momento, pequeños cambios de tensión ocasionan
grandes cambios en el paso de corriente. En otras palabras, el diodo bloquea o deja
pasar la corriente con pequeños cambios en la tensión de polarización.
La Figura 2.13 muestra la curva característica de un diodo Zener. La ruptura que
se produce al alcanzar la tensión de Zener no destruye el diodo siempre que no se
sobrepasen los límites de potencia del diodo en particular.
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 51
La Figura 2.14 muestra un ejemplo simple de regulación de tensión con diodo Zener.
El diodo se encuentra en paralelo con una resistencia de carga, manteniendo constante la
tensión entre los terminales de esa carga. Las variaciones, tanto de la tensión de alimen-
tación como de la intensidad en la carga, han de ser compensadas aumentando o dismi-
nuyendo la intensidad de paso a través del diodo Zener y la resistencia de entrada, que-
dando en los terminales de carga exclusivamente la tensión Zener.
El circuito mostrado en la Figura 2.14 es válido solamente si la intensidad que ha
de suministrar la fuente de alimentación es pequeña. Cuando se requieren mayores
intensidades se recurre a otro tipo de circuitos, entre los cuales aparece como ejem-
plo el de la Figura 2.15, válido para conocer el funcionamiento de este sistema de
regulación de tensión. En el capítulo correspondiente a sistemas de alimentación
ininterrumpida se verán otros tipos de regulación para suministrar alta potencia por
medio de tiristores.
En la Figura 2.15 aparece un nuevo componente, el transistor. De forma simple un
transistor puede considerarse como la unión de dos diodos, uno de ellos entre las
conexiones denominadas emisor (e) y base (b), y otro entre las conexiones base y
colector (c). La corriente emisor base es muy pequeña mientras que la corriente emi-
sor colector es muy grande. Por otro lado, al modificar la tensión de polarización de la
base se producen aumentos o disminuciones en la corriente emisor colector.
En este tipo de aplicación, el transistor se utiliza como regulador de tensión en
serie. La tensión de alimentación al colector es superior a la necesaria en la salida por
emisor, por lo que se produce una caída de tensión en el transistor, que trabaja como si
fuera una resistencia variable. La regulación se lleva a cabo conectando la base del
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS52
CargaVcc
+
Figura 2.14
CargaVcc
+
c e
b
Figura 2.15
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 52
ELECTRÓNICA BÁSICA
transistor a un diodo Zener, el cual mantiene constante la tensión de polarización en la
base del transistor y, como consecuencia, la tensión de salida del mismo por emisor.
La pérdida de energía que se produce en el transistor se transforma en calor, por lo
que los transistores que trabajan como reguladores de tensión han de conectarse a disi-
padores de calor, generalmente con aletas de refrigeración.
Además de los sistemas de estabilización mostrados con diodos Zener y transistor,
considerados reguladores discretos, existen otros denominados reguladores integrados
como el que aparece en la Figura 2.16.
Este tipo de circuito se suele utilizar en aplicaciones con no mucha intensidad de
paso. Por otro lado, suelen admitir una variación considerable en la tensión de entra-
da, permaneciendo constante la salida.
2.2.5. Circuito cortador de tensión
Los circuitos cortadores, también conocidos como limitadores, se utilizan cuando
se quiere seleccionar la parte de una onda que queda por encima o por debajo de un
cierto nivel de tensión tomado como referencia. Estos circuitos pueden adoptar dife-
rentes configuraciones por medio de diodos, transistores y resistencias. En este apar-
tado se va a contemplar un circuito cortador de tensión para sustituir al transformador
de una fuente de alimentación de pequeña potencia.
Debido a la propiedad que tienen los diodos Zener, o de avalancha, de regular la
tensión a un valor constante, resultan adecuados para construir dispositivos limitado-
res de tensión.
La Figura 2.17 muestra el circuito de una fuente de alimentación para obtener 6
Vcc con una intensidad de 500 mA a partir de una alimentación de 220 Vca.
Los diodos Zener han de ser iguales y de una tensión igual a la necesaria a la sali-
da; en este caso pueden ser de 6,2 V. Al estar conectados en oposición, uno de ellos
conduce y el otro bloquea en cada semiciclo de la corriente alterna, limitando la ten-
sión a la de Zener para alimentar el puente rectificador de diodos.
Por otro lado, la potencia necesaria en el circuito de salida es:
P = V * I = 6 * 0,5 = 3 W
por lo que la intensidad aproximada en el primario, aumentando un 10 %, será:
I = = = 0,015 A
3,3
�
220
P
�
V
53
+ +Ent. Sal.
9 a 15
 Vcc
6 Vcc
Regulador
Figura 2.16
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 53
Con estos datos se puede calcular la capacidad necesaria en el condensador C1 de
corriente alterna de acuerdo a la siguiente ecuación:
C1 = = = 0,223 m F
En realidad se calcula el valor de la resistencia que ofrece el condensador conecta-
do en la línea de corriente alterna.
Por último, el condensador electrolítico C2 deberá soportar una tensión superior a
la de salida, por ejemplo 10 Vcc, y una capacidad de 50 o 100 mF para filtrar compo-
nentes de la corriente alterna pulsatoria.
2.3. Amplificación
Se considera amplificación a la obtención de una gran variación de tensión, o
corriente, a partir de una pequeña variación de tensión o corriente. Este tipo de circui-
to se utiliza prácticamente en todos los sistemas de medida y control, sobre todo en
transmisores y cualquier elemento donde, partiendo de una pequeña señal, ha de obte-
nerse una intensidad entre 4 y 20 mA.
Se puede tomar como ejemplo un transmisor de temperatura. La ddp generada por
un termopar es de unos pocos milivoltios con una intensidad prácticamente nula. Un
termopar tipo «K» genera una tensión de 20 mV cuando se introduce en una fuente de
calor a 500 ºC. Esta señal ha de ser amplificada hasta obtener un rango de salida com-
prendido entre 4 y 20 mA. 
En los apartados siguientes se describen algunos conceptos básicos relacionados
con la amplificación de señales.
2.3.1. El transistor
El transistor es un componente que apareció para sustituir a la válvula electrónica,
debido a su menor tamaño, menor calor generado, menor tensión de polarización, etc. 
El primer transistor fue el llamado de contacto, el cual consistía en una pequeña pas-
tilla de germanio en la que se apoyaban dos hilos metálicos separados por unas pocas
centésimas de milímetro. La pastilla de germanio se denominó base, el hilo conductor
106 * 0,015
���
2 * 3,14 * 50 * (220 – 6)
106 * I
���
2 * p * F * (Ve – Vs)
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS54
+
Carga
6 Vcc
500 mA
220 Vca
15 mA
C1 Z1
Z2
C2
Figura 2.17
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 54
ELECTRÓNICA BÁSICA
de entrada emisor y el de salida colector. Poco después apareció el transistor de unión,
consistente en una especie de emparedado de una capa muy fina de germanio modifica-
do entre otros dos tipos de germanio también modificados. Dependiendo de las impure-
zas añadidas al germanio tendrá polaridad positiva (P) o negativa (N), dando como
resultado los dos tipos de transistores existentes que aparecen en la Figura 2.18, donde
se puede ver la composición y el símbolo utilizado en los circuitos. Aunque aquí se men-
ciona exclusivamente el germanio, esto mismo ocurre utilizando silicio.
Viendo la Figura 2.18 se puede observar que el transistor se puede considerar
como el conjunto de dos diodos montados en oposición, el primero de los cuales lo
constituyen emisor y base y el segundo base y colector.
De forma simplificada, el funcionamiento del transistor es como se describe a con-
tinuación. Tomando como referencia el transistor PNP de la Figura 2.18, las cargas
positivas pasan del emisor a la base y al llegar a la misma pueden tomar dos caminos,
bien a la fuente de alimentación A1 al sentirse atraídas por su polonegativo, o al polo
positivo de la fuente de alimentación A2. Al tener mayor potencial la fuente A2 que
alimenta el colector que la A1 que alimenta al emisor, las cargas irán en mayor canti-
dad hacia el colector, en una proporción que se puede tomar como ejemplo de 95 % al
colector y 5 % a la base. En el transistor NPN ocurre lo mismo, con la diferencia de
que las cargas son negativas en lugar de positivas.
55
e
0 b
+
_ c
P N P
e
0 b
_ + c
N P N
P N P
Ie Ic
N P N
+_
0
IbA1 A2
Figura 2.18
Figura 2.19
TRANSISTOR
DE
CONTACTO
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 55
Como resumen, al aumentar o disminuir la corriente de emisor, la de colector sufre
las mismas variaciones pero de forma proporcional puesto que, como se ha dicho, casi
toda la corriente de emisor va al colector, dando como consecuencia una amplifica-
ción de señal.
La Figura 2.19 muestra diferentes tipos de transistores, entre los cuales se encuen-
tra el de contacto que sirvió como base de desarrollo para los siguientes. Como se pue-
de ver, los formatos son totalmente diferentes en función de la potencia a manipular
en el circuito en que se encuentren instalados. En ciertas aplicaciones es necesario
montarlos sobre chapas o aletas de refrigeración para evitar su excesivo calentamiento
y consiguiente destrucción.
2.3.2. Amplificador a transistor
Para comprender el funcionamiento de los amplificadores, la Figura 2.20 muestra
el esquema de un paso amplificador a transistor con disposición de emisor común. En
esta configuración se aplica una señal de entrada entre emisor y base y se toma la
señal de salida entre emisor y colector. De aquí el nombre de emisor común, porque el
emisor es común a los circuitos de entrada y salida. Otros tipos de amplificadores son
de base común y colector común.
La señal de entrada se conecta a la base a través del condensador C1, y la resisten-
cia R1 limita la corriente del circuito base emisor de la forma siguiente: partiendo del
positivo de la fuente de alimentación, la corriente pasa por la resistencia variable R1,
la resistencia interna entre base y emisor y retorna al negativo de la fuente. La resis-
tencia R1 proporciona la tensión de polarización, por lo que variando esta resistencia
se varía el punto de trabajo, es decir, la amplificación. Siguiendo con el ejemplo
doméstico, en un radiorreceptor R1 correspondería al potenciómetro de control de
volumen.
La ddp en la resistencia de entrada R1 será:
Vent = Ib * R1
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS56
Vcc
c
e
bC1 C2
R1
R2
0 V 0 V
Entrada
Salida
Ib
Ic
Figura 2.20
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 56
ELECTRÓNICA BÁSICA
En el transistor se modifica la corriente de colector modificando la de base. Un
aumento relativamente pequeño en la corriente de base origina un gran aumento en la
de colector y viceversa. De esta manera, si la intensidad que circula en el circuito de
base a través de R1 y la propia resistencia que existe entre base y emisor es Ib, se
obtendrá una corriente amplificada en el circuito de colector que puede denominarse
Ic, ocasionando una ddp en la resistencia R2, situada en el circuito de salida, propor-
cional al valor de esta resistencia.
Vsal = Ic * R2
El circuito de salida también parte del positivo de alimentación, pasa por R2 y por
la resistencia entre colector y emisor, y llega al negativo de alimentación.
La ganancia de tensión de este sencillo amplificador será:
Ganancia de tensión = alfa *
Como los voltajes son directamente proporcionales a las resistencias, de acuerdo a
la ley de Ohm, la ganancia de tensión será proporcional a los valores de R2 y R1.
Cuanto menor sea la resistencia de entrada R1 y mayor sea la resistencia de salida R2,
mayor será la amplificación. El coeficiente alfa es característico de cada transistor.
2.3.3. Amplificador operacional
Con los avances en la tecnología de componentes electrónicos los circuitos con
componentes discretos dieron paso a los circuitos integrados, apareciendo los amplifi-
cadores operacionales. En un amplificador lineal, llamando G a la ganancia o factor
de amplificación, se cumple que:
Voltaje salida = G * Voltaje entrada
La Figura 2.21 muestra un amplificador operacional que consta de un circuito de
entrada que proporciona una tensión Vf en serie con una resistencia Rf, al mismo tiem-
Voltaje de salida

Voltaje de entrada
57
R
e
Rs
G*Ve
Carga+
_
Vf
Rf
R
cVe Vs
+ Vcc - Vcc
+ +
_ _
Figura 2.21
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 57
po que dispone de un circuito de salida con una resistencia de carga Rc. Se puede ver
que existen dos divisores de tensión, uno a la entrada formado por las resistencias Rf y
Re, y otro a la salida con las resistencias Rs y Rc. Por tanto, las tensiones en los termi-
nales de entrada y salida del amplificador serán:
Ve = 
Rf
V
+
f
Re
 * Re
Vs = G * 
Rs
V
+
e
Rc
 * Rc
Dependiendo del tipo de conexionado y los elementos que se incluyan en el circui-
to externo se pueden obtener diferentes funciones, por ejemplo amplificador, inversor,
integrador, sumador, etc. En este apartado se contemplan conceptualmente algunas de
estas funciones de forma simplificada. Aunque en las Figuras 2.21 y 2.22 aparece la
alimentación del amplificador operacional como Vcc con polaridad positiva y negati-
va, en el resto de figuras no se representa con objeto de simplificar.
La Figura 2.22A representa el mismo amplificador operacional que la Figura 2.21.
El terminal negativo se denomina inversor. Cualquier tensión que se aplique a la
entrada Vn hace que la salida tenga polaridad contraria a la entrada. El terminal positi-
vo se denomina no inversor, por lo que aplicando tensión a la entrada Vp la señal de
salida tendrá la misma polaridad que la de entrada. En la Figura 2.22B aparece el sím-
bolo genérico con que se suelen representar los amplificadores operacionales.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS58
Vs
A
Vn
Vp
Ve
+
_
Ent.
+
Sal.
B
+ Vcc
- Vcc
R
e
Rs
Figura 2.22
+ Vcc
- Vcc
Ve =Vp -Vn
Vs
Vs
AVp
Vn
Ve
+
_ B
Figura 2.23
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 58
ELECTRÓNICA BÁSICA
En la Figura 2.23A aparece un amplificador operacional ideal. Comparado con el
de la Figura 2.22A se diferencia en que no existen las resistencias de entrada Re y sali-
da Rs, por lo que se puede considerar que la de entrada tiene valor infinito y la de sali-
da tiene valor cero. La ganancia es igual a infinito, haciendo que una diferencia infini-
tesimal entre los valores de las entradas positiva (Vp) y negativa (Vn) sature la salida,
como muestra la Figura 2.23B. Si la diferencia entre las entradas Vp y Vn es positiva
(Vp > Vn), la salida se satura positivamente, y si Vn > Vp se satura negativamente. Al
tratarse de un amplificador con ganancia infinita cualquier señal de entrada se ampli-
fica hasta que la salida es igual al valor de alimentación, es decir, al valor de satura-
ción. Dicho de otra manera, siempre que Vp > Vn la salida del amplificador será igual
a la tensión de alimentación al circuito con signo positivo (+Vcc), mientras que si Vn
> Vp la salida del amplificador será igual a la tensión de alimentación con signo nega-
tivo (–Vcc). Visto así parece que el amplificador operacional no tendría mucha utili-
dad, por lo que es necesario incluir otros componentes para «gobernar» el funciona-
miento del circuito.
2.3.3.1. Amplificador no inversor
La Figura 2.24 muestra un amplificador operacional ideal denominado no inver-
sor. Como se ha dicho, la resistencia de entrada tiene valor infinito, haciendo que la
intensidad sea cero. Como consecuencia el terminal Vp tendrá la misma tensión que la
entrada Ve. A su vez, al no circular intensidad por ser infinita la resistencia de carga en
la entrada, el terminal Vn tendrá la misma tensión que el terminal Vp.
Al ser cero la intensidad de paso por Vn, la intensidad a través de R1 y R2 será la
misma, por lo que aplicando la ley de Kirchhoff de las intensidades al divisor de ten-
sión formado porlas resistencias R1 y R2 se tiene:

R
V
1
e
 = 
Vs
R
–
2
Ve
 ⇒ 
Vs
V
–
e
Ve
 = 
R
R
1
2
 ⇒ 
V
V
e
s
 = 1 + 
R
R
1
2

esto hace que la ganancia del amplificador sea:
G = 
V
V
e
s
 = 1 + 
R
R
2
1

y la salida del mismo:
Vs = Ve * �1 + RR21�
59
+ Vcc
- Vcc
Vs
G >=1Ve
Ve
+
VsR1
R2
_
Vp
Vn
+
I
+
Figura 2.24
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 59
Para modificar la ganancia del amplificador basta con modificar los valores de las
resistencias. Por ejemplo, para obtener una ganancia 10 con el circuito de la Figura
2.24 se podría fijar la resistencia de entrada R1 en 100 ohmios y la de realimentación
R2 en 1.000 ohmios. 
En la Figura 2.24 también aparece la curva de respuesta de este amplificador, cuya
pendiente dependerá de la ganancia.
2.3.3.2. Amplificador inversor
La Figura 2.25 muestra un amplificador operacional ideal inversor. Básicamente
es igual que el no inversor, excepto que la señal de entrada se aplica a la entrada inver-
sora y la no inversora se conecta a tierra. 
Igual que en el caso anterior, por tratarse de un amplificador ideal con resistencia
de entrada infinito, el voltaje en el terminal Vp es igual al del terminal Vn y, como el
primero está conectado a masa, el potencial en Vn será cero voltios. La intensidad será
cero por tener resistencia infinito en el interior y por ser Vn igual a cero.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS60
+ Vcc
- Vcc
Ve
Vs
G < 0
VnVe
+ Vs
R1 R2
Vp
+
I2
I1
+
Figura 2.25
Con los datos anteriores y aplicando la ley de Kirchhoff de las intensidades, la que
circula por R1 será igual a la que circula por R2, aunque en dirección opuesta puesto que
en el punto de unión de ambas con la entrada Vn al amplificador la intensidad es nula.

Ve
R
–
1
0
 = – ⇒ 
V
V
e
s
 =



– 
R
R
1
2
�
esto hace que la ganancia del amplificador sea:
G = 
V
V
e
s
 =



– 
R
R
2
1
�
y la salida del amplificador:
Vs = Ve * 



– 
R
R
2
1
�
Igual que el caso anterior, para modificar la ganancia del amplificador solo es
necesario modificar los valores de las resistencias. Con esta configuración, la ganan-
cia siempre será menor de cero. En la Figura 2.25 también aparece la curva de res-
puesta de este amplificador con pendiente función de la ganancia.
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 60
ELECTRÓNICA BÁSICA
Dependiendo de los componentes utilizados en la entrada y realimentación del
operacional se tendrán diferentes comportamientos, algunos de los cuales se descri-
ben en la tabla siguiente y se verán después en un caso práctico:
61
VnVe
+ Vs
R1
Vp
+
+
C Reset
Figura 2.26
Entrada Realimentación Función
Resistencia (R1) Resistencia (R2) Inversor
Resistencia (R1) Condensador Integrador
Condensador Resistencia (R2) Diferenciador
2.3.3.3. Integrador
Si en un amplificador inversor ideal se sustituye la resistencia de realimentación
R2 por un condensador, se obtiene un circuito integrador como el que muestra la
Figura 2.26. Ya se sabe que la intensidad que circula por el circuito de entrada es nula,
por lo que la tensión en Vn es igual a cero. Aplicando la primera ley de Kirchhoff, las
intensidades en el punto de unión serán:

R
V
1
e
 + C 
d
d
V
t
s
 = 0
integrando ambos términos se tiene que la respuesta del amplificador será:
Vs = 



– 
R1
1
C




∫ Ve dt
Esto muestra que la salida varía integrando el voltaje de entrada con un factor de
escala de –1/R1C. Efectivamente, en el primer momento el condensador se encuentra
descargado, lo que hace que la ganancia sea igual a cero. El condensador descargado
ofrece resistencia cero teóricamente, por lo que al dividir esta resistencia entre la de
entrada se tendrá ganancia cero. A medida que el condensador va cargándose ofrecerá
más resistencia, haciendo que aumente la ganancia hasta que la salida alcance el nivel
de saturación.
El tiempo de la rampa dependerá de los valores de la resistencia de entrada R1 y
del condensador de realimentación. Si el voltaje de entrada se mantiene constante se
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 61
tiene una rampa lineal, puesto que Ve se puede tomar como una constante. En este
caso la salida será:
Vs = 



– 
R
K
1C




Cuando termina el periodo de integración se puede llevar a cero la señal de sali-
da cerrando el interruptor denominado Reset en la Figura 2.26 para descargar el con-
densador. Si el Reset se mantiene abierto, incluso sin señal de entrada en Ve, se car-
gará el condensador lentamente debido a la pequeña corriente de fuga dependiente
de la resistencia interna del condensador. Este hecho provocará la saturación del
integrador, por lo que el Reset debe permanecer abierto solamente durante el perio-
do de integración, durante el cual la intensidad es mucho mayor que la de fuga del
condensador.
2.3.3.4. Sumador
Si la entrada no inversora se conecta a potencial cero y a la entrada inversora se
aplican varias tensiones procedentes de diferentes fuentes se obtiene un sumador,
como muestra la Figura 2.27. Como se ha visto, al estar la entrada positiva a masa y
ser la resistencia infinito, en el punto de unión de las resistencias la tensión debe ser
igual a cero voltios, luego la intensidad que circula por R3 ha de ser igual a la suma de
las intensidades que circulan por R1 y R2, de acuerdo a la primera ley de Kirchhoff.
Por tanto:

0 –
R1
E1
 + 
0 –
R2
E2
 + 
0
R
–
3
Vs
 = 0
Siendo la tensión de salida:
Vs = – 




R
R
3
1
 E1 + 
R
R
3
2
 E2



A continuación se muestra un convertidor digital analógico de dos entradas como
ejemplo de utilización del sumador. Para ello se considera que las tensiones de entra-
da E1 y E2 son iguales y equivalen a nivel lógico 1. Por otro lado se asignan los
siguientes valores a las resistencias:
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS62
E1
+ Vs
R1 R3
E2 R2
+
+
0 V
Figura 2.27
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 62
ELECTRÓNICA BÁSICA
R1 = 1kW, R2 = 2kW, R3 = 2kW
Aplicando la fórmula anterior se tiene:
Vs = – 




2
1
 E1 + 
2
2
 E2



⇒ Vs = – (2E1 + E2)
De forma que aplicando valores a las entradas E1 y E2 se obtiene la siguiente tabla
de equivalencia entre valores digitales y analógicos:
63
Figura 2.28
Salida
Entradas digitales analógica
E1 E2 Vs
0 0 0
0 1 –1
1 0 –2
1 1 –3
2.3.3.5. Amplificador diferencial
Aplicando tensión tanto a la entrada inversora como a la no inversora se puede
obtener un amplificador diferencial, también conocido como restador, cuyo esquema
aparece en la Figura 2.28.
Este amplificador tiene conectadas las entradas inversora y no inversora, por lo
que aplicando las ecuaciones vistas anteriormente se tiene:
Entrada inversora debida a E1:
Vs = 



– 
R
R
2
1




E1
Entrada no inversora debida a E2:
Vs = 



1 + 
R
R
2
1




Vp ⇒ Vs = 



1 + 
R
R
2
1








R3
R
+
4
R4




E2
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 63
Como consecuencia, la salida del amplificador será:
Vs = 



– 
R
R
2
1




E1 +



1 + 
R
R
2
1








R
R
3R
4
4




E2
En el caso en que las 4 resistencias tengan el mismo valor, por ejemplo 1 kW, la
ecuación anterior pasa a ser:
Vs = 



– 
1
1




E1 +



1 + 
1
1








1 +
1
1




E2 ⇒ Vs = E2 – E1
2.3.3.6. Algunos ejemplos
La Figura 2.29 muestra el diagrama de bloques de un controlador Proporcional
Integral Derivativo realizado con amplificadores operacionales. La ecuación de parti-
da de este controlador no interactivo es la siguiente:
OP = Kp 



e + �
T
1
i
� � e dt + Td d
d
e
t




Combinando la ganancia proporcional Kp con los tiempos integral (Ti) y derivati-
vo (Td) se obtienen las ganancias Ki y Kd, por lo que la ecuación anterior puede ser
convertida en otra de la forma siguiente:
OP = Kp e + Ki � e dt + Kd 
d
d
e
t

Cada uno de estos sumandosestá resuelto por un amplificador operacional deno-
minados P, I y D en la Figura 2.29. La entrada a cada uno de los circuitos es la tensión
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS64
+
OP
R1 R2
+
R3 C1
+
R4C2
ΣPV
SP
+
R
R
R
R
P
I
D
E
Figura 2.29
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 64
ELECTRÓNICA BÁSICA
proporcional al error entre medida y punto de consigna. De forma simplificada el
comportamiento es el siguiente:
• Amplificador operacional P. Inversor en el que la salida será función de:
OPp =



– 
R
R
2
1




E
• Amplificador operacional I. Integrador en el que la salida será función de:
OPi =



– 
R3
1
C1




E
• Amplificador operacional D. Diferenciador en el que la salida será función de:
OPd = (– R4C2) E
El último amplificador es un sumador, de forma que la suma de los tres amplifica-
dores operacionales es:
OP = – (OPp + OPi + OPd)
La salida del último amplificador inversor será:
OP = OPp + OPi - OPd
La Figura 2.30 muestra el diagrama de bloques de un transmisor a dos hilos cuyo
sensor es un condensador con capacidad variable en función de la variable de proceso
a medir, por ejemplo caudal de líquido. La pequeña señal que genera el sensor se
amplifica y después se pasa a intensidad en el convertidor voltaje intensidad.
En este diagrama, y asociado al sensor, aparece otro tipo de circuito básico elec-
trónico, el oscilador, cuya descripción conceptual y funcionamiento se desarrolla en el
apartado siguiente.
65
+
OSCI-
LADOR
SENSOR
CAPACITIVO V
I
+Vcc
-Vcc
Figura 2.30
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 65
2.4. Oscilación
Hay que empezar diciendo que cualquier cosa que se está moviendo hacia un lado
y hacia otro de manera uniforme está oscilando. Por ejemplo, la cuerda de un violín
oscila al ser rozada por el arco, el péndulo de un reloj también oscila, un diapasón
oscila a una frecuencia determinada.
Cuando un péndulo alcanza uno de los extremos se detiene momentáneamente,
almacenando energía potencial. Cuando se encuentra en el centro de su recorrido
alcanza la máxima velocidad, habiendo convertido su energía en energía cinética. Al
llegar al otro extremo vuelve a detenerse momentáneamente, para iniciar un nuevo
semiciclo. Representando este movimiento en un gráfico se obtiene una senoide como
la que muestra la Figura 2.31, en donde el eje de abscisas representa la velocidad y el
de ordenadas la amplitud de la oscilación.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS66
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9
Figura 2.31
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9
Figura 2.32
Este movimiento del péndulo es uniforme, por lo que cualquier ciclo dura exacta-
mente el mismo tiempo que otro. Por tanto, para que exista oscilación deben cumplir-
se dos condiciones:
• Debe existir movimiento hacia ambos lados.
• El tiempo de cada «vibración» debe ser «uniforme».
El péndulo del reloj de pared oscila de manera uniforme porque dispone de un ele-
mento que suministra energía, la cuerda. Un columpio inicia la oscilación al aplicarle
un impulso inicial; sin embargo, el columpio acaba por detenerse debido a las pérdi-
das de energía por rozamiento. La onda va decreciendo en amplitud aunque se man-
tiene el mismo tiempo de duración de los ciclos, dando como resultado la onda amor-
tiguada que aparece en la Figura 2.32.
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 66
ELECTRÓNICA BÁSICA
La única manera de mantener la oscilación es aplicar energía cada vez que se com-
pleta un ciclo de ida y retorno, es decir, «en fase» con el primer movimiento de empu-
je del columpio. Por tanto, si se quiere mantener el periodo natural de oscilación, la
fuente de energía externa ha de estar en fase con el periodo natural del oscilador. En
resumen, para mantener la oscilación es necesario:
• Suministrar energía para compensar las pérdidas.
• La fuente de energía externa ha de estar en fase con el periodo natural del oscilador.
2.4.1. Fase y diferencia de fase
Para aclarar el concepto de fase y diferencia de fase de una corriente o una tensión
eléctrica se puede utilizar el siguiente ejemplo tomado de la vida cotidiana. Dos per-
sonas deben recorrer una cierta distancia y para ello salen de un punto determinado a
la misma hora y marchan con la misma velocidad. Como es lógico, llegarán a su des-
tino al mismo tiempo.
En el caso de una corriente eléctrica esto se consigue haciendo circular por el mis-
mo conductor dos corrientes alternas con la misma frecuencia. Para ello se conectan
en paralelo dos generadores de la misma frecuencia de forma que las armaduras metá-
licas se encuentren colocadas en la misma posición en cuanto se refiere a los polos
formados por electromagnetismo. Haciendo marchar ambos alternadores al mismo
tiempo se producirán dos corrientes senoidales iguales. Este hecho queda reflejado en
la Figura 2.33A, en la que se puede ver que ambas corrientes salen del mismo punto y
alcanzan sus valores máximos y mínimos en el mismo momento. Se dice que estas
dos corrientes se encuentran en fase.
En ocasiones las corrientes no se encuentran en fase, es decir, los puntos cero y
máximos no coinciden en el mismo momento, tal como muestra la Figura 2.33B.
Volviendo al ejemplo cotidiano anterior se puede comparar a dos personas que deben
recorrer la misma distancia marchando con la misma velocidad. En este caso la segun-
da persona sale 15 minutos después que la primera, por lo que al caminar a la misma
velocidad la segunda llegará 15 minutos después al final del trayecto, pasando con 15
minutos de «desfase» por todos los puntos intermedios.
Para conseguir el desfase eléctrico se conectan en paralelo los dos mismos alterna-
dores anteriores, pero ahora las armaduras se encuentran colocadas con 90o de dife-
67
EN FASE DESFASADA
A
B
180º90º
Figura 2.33
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 67
rencia en cuanto se refiere a los polos electromagnéticos. Lógicamente el desfase pue-
de ser cualquier valor comprendido entre 0 y 360o, que corresponde a una rotación
completa del alternador. Cuando el desfase es de 180o se conoce con el nombre de
contrafase.
2.4.2. Oscilador electrónico
Un oscilador electrónico está formado básicamente por la conexión en paralelo de
una bobina y un condensador, como aparece en la Figura 2.34. Con ese montaje se puede
llevar a cabo el siguiente experimento. Colocando el conmutador en la posición 1 se pro-
ducirá la carga inicial del condensador con la tensión de la fuente de corriente continua.
Cambiando el conmutador a la posición 2 se llevará a cabo la descarga del mismo, pasan-
do toda su energía a la bobina. Ese hecho crea un campo magnético que a su vez autoin-
duce una tensión en la bobina que produce la carga del condensador, pero con polaridad
opuesta. Este ciclo se repite de la misma manera que en el columpio cuando solo se le ha
aplicado un primer impulso, en este caso la primera carga del condensador. Si no existie-
ran pérdidas en el sistema el circuito permanecería en oscilación permanente.
Para que la oscilación permanezca indefinidamente es necesario aplicar energía
externa justo en el momento en que la bobina ha terminado de cargar el condensador,
es decir, al terminar un ciclo completo. La energía aplicada corresponderá al voltaje
necesario para vencer la caída de tensión que ocasiona la resistencia propia del circui-
to. La Figura 2.35 representa la forma de onda que se obtiene al aplicar el pequeño
voltaje justo en el momento en que se completa el ciclo y la tensión del oscilador ha
caído ligeramente.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS68
Vcc
1 2
Figura 2.34
V
t
Figura 2.35
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 68
ELECTRÓNICA BÁSICA
La forma de aplicar esta tensión es por medio de un circuito de realimentación
como el que muestra la Figura 2.36, en el que una pequeña parte de la tensión de sali-
da del amplificador retorna al oscilador para compensar las pérdidas.
2.4.3. Oscilador de cristal
El oscilador controlado por medio de cristal tiene una cualidad especial,su alta
estabilidad de frecuencia. Algunos cristales, como el cuarzo, presentan el efecto lla-
mado piezoeléctrico. Cuando el cristal se coloca entre dos placas metálicas y se le
aplica una cierta presión se genera una fem entre esas placas. También se produce el
efecto contrario, por lo que aplicando corriente alterna a las placas, el cristal se dilata
y comprime en función del ciclo de la corriente alterna. Como resumen, se puede decir
del cristal de cuarzo que:
• Convierte la presión en energía eléctrica.
• Convierte la energía eléctrica en vibración.
Cada cristal tiene una frecuencia de vibración que entre otras cosas depende de su
grosor. Los cristales con menos espesor vibran más rápido que los cristales más grue-
sos. La frecuencia de vibración permanece constante en cada caso. En este tipo de osci-
ladores, el cristal sustituye al conjunto de bobina y condensador visto anteriormente.
Como ejemplo, una aplicación industrial es la detección de humedad en gases
basándose en el efecto piezoeléctrico. Para ello el cristal se cubre de un material
higroscópico y se expone al paso de muestra. El agua que contiene la muestra se
absorbe por el material higroscópico, aumentando su masa y, como consecuencia, dis-
minuyendo la frecuencia de oscilación del cristal.
Con objeto de eliminar la humedad absorbida en el cristal que está midiendo y evi-
tar tiempos de retardo, se utilizan dos cristales, uno expuesto al gas a analizar y otro
expuesto a un gas seco utilizado como referencia, conmutándose periódicamente el
gas que pasa a cada uno de los cristales. De esta manera, mientras un cristal está en
absorción otro se encuentra en desorción. La diferencia de frecuencia entre los dos
cristales es proporcional a su diferencia de masa y, por tanto, al contenido de hume-
dad en el gas que se está analizando.
69
AMP
REALIMENT.
+ Vcc
- Vcc
Figura 2.36
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 69
La Figura 2.37 muestra un sistema de muestras simplificado de este tipo de anali-
zador, en el que el gas de referencia es el mismo a medir, pero pasando previamente
por un filtro deshidratador para eliminar la humedad.
Cada uno de los dos cristales que contiene la célula de medida forman parte de un
oscilador, como muestra la Figura 2.38, en la que aparece el diagrama de bloques de
este sistema de medida.
Como el cristal que está en posición de medida está absorbiendo humedad, su fre-
cuencia de oscilación será más baja que la del cristal que está recibiendo el gas de
referencia. La diferencia de frecuencia resultante se amplifica y se envía al medidor,
cuyo rango corresponderá con la máxima diferencia de frecuencia, que a su vez es
proporcional al rango de humedad contenida en la muestra a analizar.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS70
 C
el
 1
2 1
1 2
GAS HUMEDO
GAS SECO
ENTRADA de MUESTRA
SALIDA de MUESTRA
DESHIDRATADOR
1. ELECTROVÁLVULA
 ENERGIZADA
2. ELECTROVÁLVULA
 DESENERGIZADA
C
el
 2
Figura 2.37
O
S
C
. 
1
O
S
C
. 
2
F 1
F 2
F1 - F2 AMP MEDIDOR
C
el
 1
C
el
 2
Figura 2.38
´
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 70
ELECTRÓNICA BÁSICA
2.4.4. Multivibradores
Básicamente, un multivibrador es un circuito binario que, dependiendo de su con-
figuración, puede permanecer en uno de los estados indefinidamente, pasar a uno de
ellos de manera instantánea y volver al primero o bien oscilar de uno de ellos al otro
indefinidamente. Existen tres clases de multivibradores, dos de los cuales no son osci-
ladores en sentido general. Los tres tipos son:
• Monoestable. Permanece en uno de los dos estados y momentáneamente pasa al
otro como consecuencia de una señal de disparo, volviendo a su posición origi-
nal. En esta posición puede permanecer indefinidamente si no se le vuelve a
aplicar la condición de disparo. A veces se conoce como univibrador. No se pue-
de considerar oscilador.
• Biestable. Puede permanecer indefinidamente en cualquiera de los dos estados
mientras no exista ninguna condición que lo haga pasar de uno al otro. Se cono-
ce con diversos nombres: circuito disparador, flip-flop, binario, etc. No se puede
considerar oscilador.
• Astable. Cada uno de los dos estados es semiestable, por lo que sin ninguna con-
dición exterior de disparo está pasando de un estado semiestable al otro conti-
nuamente. Realmente es el único que se comporta como un oscilador, el cual
puede utilizarse para generar tipos de ondas, como la cuadrada.
La Figura 2.39 representa un multivibrador astable, acoplado por colector con
transistores NPN, en el que los colectores se encuentran conectados a la fuente de ali-
mentación Vcc a través de las resistencias de carga RC1 y RC2. Las bases están pola-
rizadas por medio de resistencias R1 y R2. Las variaciones de tensión en el colector
de T1 se acoplan por medio del condensador C1 a la base del transistor T2 y las varia-
ciones en el colector de T2 se acoplan a la base de T1 a través del condensador C2.
Las continuas cargas y descargas de los condensadores hacen que se mantenga la
oscilación de forma permanente, haciendo conducir un transistor u otro. Estos estados
de conducción o corte hacen a su vez que se lleven a cabo las cargas y descargas de
71
Vcc
S1 S2
RC1 RC2R1 R2
C1 C2
T1 T2
B2 B1
Figura 2.39
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 71
los condensadores. Generalmente los componentes acoplados a un transistor son igua-
les a los del otro, por lo que el inicio de la oscilación se produce por la pequeña dife-
rencia en la resistencia interna de los transistores al ser imposible que sean exacta-
mente iguales desde un punto de vista constructivo.
Sin entrar a analizar en profundidad el funcionamiento de este oscilador basta con
saber que cuando un transistor está conduciendo el otro está en corte, alternándose
periódicamente en función de los valores de C1 y R1 para el transistor T1 y C2 y R2
para el transistor T2. Se recuerda que el producto de capacidad por resistencia da
como resultado la constante de tiempo del circuito.
La Figura 2.40 muestra la forma de onda aproximada de las salidas del oscilador.
Cuando un transistor se encuentra en conducción la salida por colector será cero vol-
tios por estar el emisor conectado a masa, mientras que cuando se encuentra en corte
su salida alcanzará el valor de Vcc al cabo de un tiempo fijado por los valores del con-
densador y la resistencia. Como se puede ver, se genera una forma de onda práctica-
mente cuadrada.
2.5. Otros componentes electrónicos
Además de los componentes mostrados hasta ahora, existe otra serie de ellos que
se utilizan habitualmente en equipos o circuitos electrónicos. En realidad suelen ser
variaciones o combinaciones de los elementos básicos, como se verá en los siguientes
apartados.
2.5.1. Light Emitting Diode (LED)
Los LED son diodos especiales que emiten luz cuando se conectan en un circuito
de corriente continua. Se utilizan con mucha frecuencia como pilotos en equipos elec-
trónicos para indicar la presencia de tensión de alimentación en un circuito en particu-
lar. Estos diodos operan con una tensión relativamente baja, entre 1 y 4 Vcc, y una
intensidad de corriente entre 10 y 40 mA.
La Figura 2.41 muestra un diodo LED en el que se puede ver que existe un peque-
ño chip semiconductor y un reflector. Como cualquier diodo, el chip tiene dos regio-
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS72
T2 = 0
T1 = 1
T2 = 1
T1 = 0
T2 = 0
T1 = 1
T2 = 1
T1 = 0
0
+ Vcc
0
+ Vcc
Salida S1 del
Transistor T1
Salida S2 del
Transistor T2
Figura 2.40
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 72
ELECTRÓNICA BÁSICA
nes separadas por una unión. La región positiva está dominada por cargas eléctricas
positivas y la región negativa por cargas negativas. La unión actúa como barrera del
flujo de electrones entre ambas regiones. Cuando se aplica voltaje al chip se movili-
zan los electrones de la región negativa hacia la positiva a través de la unión que las
separa. Cuando un electrón (carga negativa) se mueve cerca de una cargaen la región
positiva, se recombinan ambas cargas produciendo energía electromagnética que a su
vez emite luz con una frecuencia característica del tipo de material del diodo LED.
Dependiendo del material con el que esté hecho el semiconductor se tienen diferentes
colores: rojo, verde, etc.
2.5.2. Optoacoplador
La Figura 2.42 muestra un circuito simple para comprender el funcionamiento de
un optoacoplador. Realmente se trata de un conjunto de transistor y diodo en el que la
base del transistor se polariza con la luz emitida por el diodo cuando éste conduce. De
forma elemental se puede decir que se trata de un interruptor formado por el emisor y
colector del transistor cuyo mando lo constituye la base. Existe una característica muy
importante y es la de estar alimentado el diodo desde una fuente y el transistor desde
otra, lo cual hace que exista una separación «física» entre el circuito de mando y el de
salida. La unión entre ambos circuitos es la luz emitida por el diodo LED cuando se
cierra el interruptor S1. Entre las aplicaciones que tiene este componente en el campo
73
Figura 2.41
Reflector
Chip
P N
UNIÓN
Vcc
+
_
R1
R2S1
Vcc
+
_
Figura 2.42
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 73
de medida y control se encuentra el aislamiento óptico en los aisladores galvánicos
que se utilizan en sistemas con seguridad intrínseca. Este tipo de aplicación se detalla
en otro capítulo.
La Figura 2.43 muestra otra aplicación simple que tiene el comportamiento de un
oscilador biestable o flip flop. Está formada por cuatro optoacopladores, entre los cua-
les el marcado como número 4 hace la función de enclavamiento del sistema. 
Cuando se cierra el contacto de la entrada 2 se establece un paso de corriente des-
de +Vcc hasta masa a través de R1 y los cuatro diodos. En este momento conduce el
transistor 4 accionado por la luz de su diodo, dejando enclavado el sistema aunque se
abra la entrada 2. Al mismo tiempo empieza a conducir el transistor 1 llevando la sali-
da 1 al estado de conducción (ON). Por otro lado, al conducir el transistor 2 se corto-
circuita el diodo que acciona el transistor 3 dejando este de conducir, por lo que la
salida 2 pasa a estado de no conducción (OFF).
Cuando se cierra el contacto de la entrada 1 se establece paso de corriente desde
+Vcc hasta masa a través de R1, cortocircuitando el paso de corriente a través de los
diodos, por lo que dejan de conducir los transistores 1, 2 y 4. Esto hace que la salida 1
pase a estado OFF. Al dejar de conducir el transistor 2 se establece paso de corriente
desde +Vcc hasta masa a través de R2 y el diodo, haciendo conducir al transistor 3.
Como consecuencia la salida 2 pasa al estado ON.
Cualquiera de las dos situaciones descritas permanece estable hasta que se accione
la entrada contraria. Las entradas están representadas por contactos normalmente
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS74
Figura 2.43
Figura 2.44
Ent 1
Ent 2
Salida 1
Salida 2
Sal 1
ON
+Vcc
R2R1
32
1
4
Ent
1
Ent
1
Ent
2
Salida
OR AND
SalidaEnt
2
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 74
ELECTRÓNICA BÁSICA
abiertos, pero pueden provenir de cualquier otro sistema eléctrico o electrónico que
haga la misma función de apertura y cierre.
Por último, existe un diodo LED que hace las veces de piloto para indicar el esta-
do del biestable. Encendido indica que se encuentra activada la salida 1, mientras que
apagado indica que se encuentra activa la salida 2.
La Figura 2.44 muestra otra aplicación de los optoacopladores, como es el accio-
namiento de puertas lógicas. En la puerta OR se puede ver que tan pronto se active
una de las entradas se accionará la salida, mientras que en la puerta AND es necesario
que se encuentren activadas ambas entradas para que se active la salida. El comporta-
miento de las puertas lógicas se describe en otro capítulo.
2.5.3. Convertidor CC CC
En apartados anteriores se ha visto la descripción y componentes que forman una
fuente de alimentación de corriente alterna a corriente continua, lo que se conoce con
el nombre de rectificación, filtrado y estabilización. Además de estas fuentes existen
otras que partiendo de corriente continua de bajo voltaje han de conseguir corriente
continua de un voltaje superior. Por ejemplo, para obtener CC de mayor voltaje al que
suministra una fuente de alimentación, o una batería, se deben llevar a cabo las
siguientes operaciones o tareas:
1. Convertir el bajo voltaje de CC a CA.
2. Transformar el bajo voltaje de CA a mayor voltaje de CA.
3. Rectificar el alto voltaje de CA para obtener alto voltaje de CC.
Para convertir la CC a CA se utilizan los equipos denominados inversores, descri-
tos en el capítulo de alimentaciones eléctricas. Esta operación se lleva a cabo general-
mente haciendo uso de tiristores.
Con objeto de ver los conceptos básicos de la conversión de CC a CA, o inversión,
se va a describir un elemento que se utilizó en los primeros tiempos, como es el vibrador,
ya en desuso pero válido para fijar conceptos. Este elemento, junto con el primario de un
transformador, lo lleva a cabo la tarea número 1 enumerada anteriormente. La tarea 2 la
realiza el propio transformador, ya visto en el capítulo de electricidad básica. Por último,
la tarea 3 es la misma que se lleva a cabo en las fuentes de alimentación de CA a CC.
La Figura 2.45 representa un vibrador formado por un soporte de metal sobre el
que se encuentra por la parte superior una bobina, actuando como electroimán, y en la
parte inferior una lámina flexible y dos contactos eléctricos. La lámina flexible tiene
un pequeño trozo de hierro en el extremo próximo a la bobina. El electroimán se
encuentra descentrado respecto a la vertical de la lámina, de forma que pueda atraerla
cuando se energice la bobina.
La Figura 2.46 muestra el esquema de conexionado del vibrador al primario del
transformador. Cuando el interruptor S1 se encuentra abierto la lámina permanece
entre los dos contactos eléctricos, como muestra la Figura 2.45. Cuando se cierra el
interruptor se llevan a cabo las siguientes fases:
1. Con la corriente de la batería se energiza la bobina a través de la mitad inferior
del transformador. 
75
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 75
2. El electroimán produce un campo magnético atrayendo la lámina hacia el con-
tacto inferior (Figura 2.46A).
3. Al cortocircuitar la bobina circula una corriente intensa desde la batería al
transformador a través de la lámina flexible. Al mismo tiempo desaparece el
campo magnético creado por el electroimán, eliminando la atracción sobre la
lámina, la cual flexa hasta alcanzar el contacto superior (Figura 2.46B).
4. Circula corriente eléctrica a través de la parte superior del transformador.
5. Al eliminar el cortocircuito de la bobina se energiza de nuevo el electroimán,
igual que en la fase 1.
El ciclo se repite continuamente, obteniendo una corriente alterna que circula a
través del primario del transformador, primero en un sentido y luego en sentido con-
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS76
BOBINA
LÁMINA
FLEXIBLE
CONTACTOS
CONECTOR
Figura 2.45
SECUNDARIO
+_
BOBINA
LAMINA
FLEXIBLE
A
B
S1
+_S1
Figura 2.46
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 76
ELECTRÓNICA BÁSICA
trario por cada una de las mitades del primario. Con la inversión del sentido de paso
de la corriente se induce en el secundario una corriente de alto voltaje con forma de
onda cuadrada. Esta forma de onda no tiene mayor importancia a la hora de obtener
corriente continua.
A partir de la corriente inducida en el secundario los pasos siguientes son iguales a
los descritos en el apartado correspondiente a las fuentes de alimentación de CA a CC.
77
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 77
02 capitulo 02 ok 26/9/06 16:01 Página 78
Circuitos lógicos
3.1. Introducción
Puesto que el objeto de este capítulo es comprender el funcionamiento de los cir-
cuitos lógicos, no se van a tratar de forma extensa las diferentes leyes ni teoremas del
álgebra deBoole, sino solo los principios básicos de funcionamiento de estos circuitos.
Cualquier sistema digital opera en forma binaria, es decir, los elementos emplea-
dos solo disponen de dos estados que suelen denominarse como verdadero y falso, o
también «1» y «0» respectivamente. Para conseguir los estados 1 y 0 se utilizan nive-
les de voltaje de corriente continua, por ejemplo cinco voltios para el valor lógico 1 y
cero voltios para el valor lógico 0 si se trata de lógica positiva, o bien al revés si se
trata de lógica negativa, tal como muestra la Figura 3.1.
Los pulsos están sincronizados por medio de un reloj patrón cuya frecuencia de
oscilación suele venir dada por un oscilador de cristal. Esta serie de pulsos mantiene
sincronizados todos los elementos del sistema. Cualquier número se representa por un
tren de pulsos en el que el 1 aparece cuando coincide con el impulso del reloj patrón y
el 0 corresponde con la ausencia de pulso en la señal, como aparece en la Figura 3.2. 
La Figura 3.2 representa el número decimal 25 (16 + 8 + 1), el cual corresponde
con el binario 11001 representado por un tren de pulsos. Cada pulso, o ausencia de
pulso, representa un número binario denominado bit mientras que el conjunto de bit
que componen un tren de pulsos se denomina palabra, conceptos que se describen con
más amplitud en el capítulo correspondiente a controladores lógicos programables.
3
0
1 0
1Tiempo0 Voltios
5 Voltios
Figura 3.1
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 79
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS80
A partir de estos conceptos básicos se van a tratar circuitos lógicos como «OR»,
«AND», «NOT» y «FLIP FLOP», con los cuales se construyen los equipos que ope-
ran en forma digital. Estos circuitos también se conocen como puertas lógicas «O»,
«Y», «INVERSOR» y «SET RESET». Antes de pasar a ver estas puertas lógicas es
conveniente realizar primero un repaso a los sistemas de numeración.
3.2. Sistemas de numeración
En máquinas calculadoras y circuitos lógicos, así como en la vida real, se utilizan
diversos sistemas de numeración, tales como binario, octal, decimal y hexadecimal.
Todos los sistemas parten de la expresión general que se muestra a continuación.
... + D4 * B
4 + D3 * B
3 + D2 * B
2 + D1 * B
1 + D0 * B
0
donde: Dn = Dígito del sistema de numeración (0, 1, 2, 3, etc.).
B = Base del sistema de numeración (2, 8, 10, 16).
En la vida cotidiana estamos acostumbrados a trabajar con números en base diez,
o numeración decimal, por lo que este sistema se va a revisar en primer lugar.
3.2.1. Sistema decimal
El sistema de numeración decimal utiliza diez símbolos o dígitos, comprendidos
en el rango del 0 al 9. Después de utilizar estos números es necesario desarrollar un
sistema que permita continuar contando, por lo que, en lugar de añadir más símbolos
para representar números más altos, se sigue un plan de desplazamiento de posición.
Por tanto, el número diez se representa colocando el 1 en la segunda columna (dece-
nas) y un 0 en la primera columna (unidades). A partir de este momento se incrementa
la primera columna con los números 1 al 9 hasta llegar a veinte, momento en que se
coloca un 2 en la segunda columna. Cuando se llega a cien se coloca el 1 en la tercera
columna (centenas), y así sucesivamente.
Como se puede ver, el sistema decimal se basa en el número diez, y las diferentes
columnas corresponden a las sucesivas potencias de diez. Como ejemplo, siguiendo la
expresión general mencionada anteriormente, el número 3.485 será:
Tiempo
20 21 22 23 24
t = 0
Reloj
1
0
Figura 3.2
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 80
CIRCUITOS LÓGICOS
3 * 103 + 4 * 102 + 8 * 101 + 5 * 100
Obsérvese que el número diez, que es la base del sistema decimal, no es un dígito
básico del sistema, sino una combinación de los símbolos 1 y 0.
3.2.2. Sistema binario
Este sistema dispone solamente de dos dígitos básicos, el 0 y el 1. Una vez que se
han contado dos elementos ya se han utilizado todos los dígitos o símbolos disponibles,
por lo que es necesario realizar el desplazamiento y representarlo por 10 (uno cero).
En el sistema binario el valor de las columnas está basado en las distintas poten-
cias de dos, por lo que, siguiendo la misma expresión general anterior, el número bina-
rio 1001 será:
1 * 23 + 0 * 22 + 0 * 21 + 1 * 20
Obsérvese que el número 2, que es la base del sistema binario, no es un dígito
básico de este sistema de numeración. Este sistema es incómodo por el espacio que
ocupa, pues son necesarios cuatro dígitos para expresar números que solo requieren
un dígito en el sistema decimal, por ejemplo el número 9 mostrado anteriormente
como 1001.
La siguiente tabla compara el sistema en base dos con el sistema en base diez, uti-
lizando todos los símbolos de ambos.
81
Decimal Binario
101 100 23 22 21 20
0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 1
0 2 0 0 1 0
0 3 0 0 1 1
0 4 0 1 0 0
0 5 0 1 0 1
0 6 0 1 1 0
0 7 0 1 1 1
0 8 1 0 0 0
0 9 1 0 0 1
1 0 1 0 1 0
Se puede ver que después de utilizar todos los dígitos del sistema con numeración
decimal aún no se han completado todas las combinaciones del sistema binario con 4
dígitos. En otras palabras, no se ha alcanzado el valor 1111, desaprovechando algunas
combinaciones del sistema binario.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 81
El sistema de numeración binario se utiliza en circuitos lógicos debido a su sim-
plicidad, puesto que, al existir solamente dos dígitos, cualquier circuito puede ser
representado fácilmente. Como ejemplo la tabla siguiente muestra la representación
de algunos elementos con estados binarios.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS82
DÍGITOS BINARIOS
Variable 1 0
Relé Activado Desactivado
Interruptor Cerrado Abierto
Lámpara Encendida Apagada
Diodo Conduciendo Bloqueado
Tensión Presente Ausente
Bomba Marchando Parada
Como se puede ver, las condiciones son totalmente opuestas y equivalentes a SÍ o
NO. Significa que cualquier circuito de este tipo tiene pocos problemas de condicio-
nes ambientales o envejecimiento. Los dígitos binarios 1 y 0 se pueden considerar
como niveles lógicos, utilizando estos términos cuando se opera con puertas lógicas,
como se verá posteriormente.
Como final de este apartado, a continuación se muestra un sistema para convertir
cualquier número decimal a otro binario.
El procedimiento consiste en colocar el número decimal a la derecha y realizar
divisiones entre 2. El cociente de cada división se va colocando en la columna inme-
diatamente a la izquierda y el resto justo debajo de ese cociente. Esta operación se
repite hasta que el cociente es cero, momento en que el conjunto de unos y ceros de la
fila de restos corresponde al número binario equivalente al decimal. En el ejemplo de
la tabla, 25 + 23 + 22 + 20 = 45.
Dividir entre 2 0 1 2 5 11 22 45 Decimal 
Resto 1 0 1 1 0 1 Binario
25 24 23 22 21 20
3.2.3. Sistema hexadecimal
Otro sistema utilizado por los equipos es el hexadecimal, cuyo nombre deriva de
seis (hexa) letras que se combinan con los números decimales. Por tanto existen 16
símbolos básicos en este sistema, del 0 al 9 más las letras A, B, C, D, E y F. Cuando
se llega al decimal 16 se han utilizado todos los símbolos del sistema y, por tanto, el
16 decimal se representa como 10 (uno cero) hexadecimal.
La tabla siguiente compara el sistema hexadecimal con el decimal, incluyendo una
columna con cuatro dígitos binarios para cada símbolo hexadecimal. Como es lógico,
el valor de cada columna en el sistema hexadecimal es el correspondiente a las sucesi-
vas potencias de dieciséis.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 82
CIRCUITOS LÓGICOS
D * 163 + D * 162 + D * 161 + D * 160
Una de las ventajas que tiene el sistema hexadecimal es que utiliza todas las com-
binaciones posibles con cuatro dígitos binarios. Un número binario de cuatro cifras es
capaz de representar 16 combinaciones diferentes hasta alcanzar el valor 1111. Como
se ha mencionado anteriormente, si se opera con el sistema decimal solo se utilizan 10
números,sobrando 6 dígitos de cuatro cifras en el sistema binario. El problema se
resuelve añadiendo 6 letras al sistema decimal para representar los números del 10 al
15. Esto lleva al sistema hexadecimal.
3.3. Álgebra de Boole
Allá por el año 1847, los matemáticos ingleses Augusto De Morgan y George
Boole publicaron los principios del álgebra lógica o álgebra de Boole. El principio
básico consiste en que a cualquier condición se le puede asignar solamente uno de dos
valores posibles, verdadero o falso. 
Aplicada a circuitos eléctricos, el álgebra de Boole da lugar a las siguientes verda-
des lógicas:
— Un contacto eléctrico solo puede encontrarse en uno de los estados «abierto»
o «cerrado», quedando representado por los números «0» y «1» respectivamente.
83
DECIMAL BINARIO HEXADECIMAL
101 100 4 Dígitos 161 160
0 0 0000 0 0
0 1 0001 0 1
0 2 0010 0 2
0 3 0011 0 3
0 4 0100 0 4
0 5 0101 0 5
0 6 0110 0 6
0 7 0111 0 7
0 8 1000 0 8
0 9 1001 0 9
1 0 1010 0 A
1 1 1011 0 B
1 2 1100 0 C
1 3 1101 0 D
1 4 1110 0 E
1 5 1111 0 F
1 6 1 0
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 83
— Independientemente de si la conexión se realiza en serie, paralelo o mixta,
cuando se agrupan una serie de contactos para alimentar un receptor, solo se
puede dar alguna de las dos combinaciones lógicas siguientes en este receptor:
• «0»: Ausencia de tensión
• «1»: Presencia de tensión
La Figura 3.3 muestra un circuito en el que existen tres interruptores en serie-para-
lelo con una lámpara como receptor. En la posición en que se encuentran representa-
dos los interruptores la lámpara estará apagada, o lo que es igual, todos ellos se
encuentran en posición «0» lógico. Dependiendo de la posición de cada uno de los
interruptores se podrá encender la lámpara o permanecer apagada.
Todo esto se traduce en que en cualquier circuito existen una serie de variables
binarias de entrada, denominadas independientes, y otras variables de salida denomi-
nadas dependientes. En la Figura 3.3 la lámpara será una variable dependiente de la
posición que ocupen los interruptores o variables independientes.
El número de combinaciones que se pueden dar depende del número de entradas,
de forma que con n entradas se pueden tener 2n combinaciones diferentes que tengan
como resultado «0» ó «1». Por ejemplo, en la Figura 3.3 se tendrán las 8 combinacio-
nes siguientes al disponer de 3 entradas:
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS84
Combinación A B C S Combinación A B C S
1 0 0 0 Apagada 5 1 0 0 Apagada
2 0 0 1 Apagada 6 1 0 1 Encendida
3 0 1 0 Apagada 7 1 1 0 Encendida
4 0 1 1 Apagada 8 1 1 1 Encendida
Para tratar matemáticamente los circuitos, las variables de entrada tienen asigna-
das letras, de forma que en circuitos complejos, agrupando las variables de entrada, de
acuerdo a las condiciones que se han de cumplir, se pueden llevar a cabo simplifica-
ciones antes de realizar el circuito con componentes eléctricos o electrónicos. Más
adelante se verá algún ejemplo de simplificación.
Con objeto de cumplir los requerimientos que se le exigen, el álgebra de Boole
está basada en hipótesis o postulados y teoremas, similares a los que se conocen en
los cálculos matemáticos o algebraicos. 
24 VCC
A
B
C
S
Figura 3.3
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 84
CIRCUITOS LÓGICOS
Postulado. La suma de dos o más variables equivale a la conexión de entradas en
paralelo, como muestran la Figura 3.4 y simbólicamente la Figura 3.5.
Como se ha mencionado anteriormente, al tener dos entradas existirán cuatro esta-
dos posibles de la salida S. Estos estados se suelen representar en lo que se denomina
«tabla de la verdad», obtenida utilizando todas las combinaciones de entradas y sali-
da, como muestra la tabla siguiente:
85
A
B
S
+A + B = S
Figura 3.4
A
B
S = A + B
Figura 3.5
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
La función suma lógica de varias entradas se denomina función OR o puerta O
debido a que la salida es 1 cuando A = 1 o B = 1. Dicho de otra manera, para tener 1 a
la salida es suficiente con tener un 1 en cualquiera de las entradas, o bien 1 en ambas
entradas.
Para representar la función OR existen diversos símbolos, según el tipo de nomen-
clatura utilizada, siendo el más conocido el que aparece en la Figura 3.5, donde al aso-
ciar en paralelo las entradas se pueden definir una serie de identidades booleanas,
como las representadas a continuación. Para comprender más fácilmente estas identi-
dades se pueden asociar a la Figura 3.4.
• A + 1 = 1. Un contacto cerrado en paralelo con otro contacto dará como resulta-
do un contacto cerrado.
• A + 0 = A. Un contacto abierto en paralelo con otro contacto dará como resulta-
do la misma posición del contacto A.
• A + A = A. Dos contactos iguales conectados en paralelo darán el mismo resul-
tado que uno solo de ellos.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 85
Postulado. El producto de dos o más variables equivale a la conexión de entradas
en serie, tal como muestran la Figura 3.6 y simbólicamente la Figura 3.7.
Igual que en el caso anterior, al tener dos entradas existirán cuatro estados posibles
de la salida S que se pueden representar en la «tabla de la verdad», obtenida por medio
de las combinaciones de entradas y salida mostrada a continuación:
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS86
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
A B
S
+A * B = S
Figura 3.6
A
B
S = A * B
Figura 3.7
La función suma lógica de varias entradas se denomina función AND o puerta Y
debido a que la salida es 1 cuando A = 1 y B = 1. Dicho de otra manera, para tener 1 a
la salida es necesario tener un 1 en las dos entradas.
De la misma manera que antes, para representar la función AND existen diversos
símbolos, según el tipo de nomenclatura utilizada, siendo el más conocido el que apa-
rece en la Figura 3.7, donde al asociar en serie las entradas se pueden definir identida-
des booleanas como las representadas a continuación. Para comprender fácilmente
estas identidades se pueden asociar a la Figura 3.6.
• A * 1 = A. Un contacto A conectado en serie con otro que se encuentra siempre
cerrado dará como resultado el valor del contacto A.
• A * 0 = 0. Un contacto A conectado en serie con otro que se encuentra siempre
abierto dará como resultado un valor 0, o contacto abierto.
• A * A = A. Agrupando en serie dos contactos accionados al mismo tiempo equi-
vale a la acción de un solo contacto.
Postulado. Un circuito inversor (NO) tiene una sola entrada y una salida y lleva a
cabo la operación de NEGACIÓN LÓGICA, de forma que la salida de este circuito
adopta el estado 1 solo si la entrada es igual a cero.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 86
CIRCUITOS LÓGICOS
La Figura 3.8 muestra dos tipos de circuito NO, con inversión en la entrada y la
salida respectivamente. Se puede ver que la ecuación es la misma, es decir, la salida
es el valor inverso de la entrada. La negación en una entrada o una salida, en cual-
quier puerta lógica, se representa por un círculo en el lado correspondiente.
Aquí también se pueden definir identidades booleanas, como las que se presentan
a continuación, donde uno de los contactos es complemento del otro:
• A + A
–
= 1. Un contacto A en paralelo con su inverso da siempre como resultado
un contacto cerrado. Equivale a una puerta OR con dos entradas siempre dife-
rentes.
• A * A– = 0. Un contacto A en serie con su inverso da siempre como resultado un
contacto abierto. Equivale a una puerta AND con dos entradas siempre diferentes.
•
––
A = A. Una doble inversión hace que la salida sea igual a la entrada. Igual ocurre
si se invierten los dos términos de una igualdad, de forma que:
Si A– = B– entonces A = B
Hasta aquí se han representado las identidades booleanas básicas, conocidas tam-
bién como leyes fundamentales. Además existen otras leyes cuyo resumen se muestra
a continuación:
Leyes asociativas. En el álgebra de Boole se pueden utilizar paréntesis para agru-
par variables, sin que esto afecte al resultado final. Por ejemplo:A + B + C = (A + B) + C = A + (B + C)
A * B * C = (A * B) * C = A * (B * C)
Leyes conmutativas. 
• A + B = B + A. Esta es la propiedad conmutativa del circuito OR. Significa que
la disposición o conexión de contactos en paralelo no modifica el resultado.
87
A S = A A S = A
Figura 3.8
A
B
C
A
A
B
C=
Figura 3.9
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 87
• A * B = B * A. Esta es la propiedad conmutativa del circuito AND. Significa que
la disposición o conexión de contactos en serie no modifica el resultado.
Leyes distributivas. La asociación de un contacto (A) en serie con otros dos conec-
tados en paralelo (B y C) equivale a la asociación en paralelo de dos contactos conec-
tados en serie, como se puede ver en la Figura 3.9.
A * (B + C) = A * B + A * C
La asociación de un contacto independiente (A) en paralelo con otros dos conecta-
dos en serie (B y C) equivale a la asociación en serie del contacto independiente conec-
tado en paralelo con cada uno de los otros dos, como se puede ver en la Figura 3.10.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS88
A
B C =
A
C
A
B
Figura 3.10
AA
B
A * B
A
A B =
B
1
A
=
A
Figura 3.11
Identidades auxiliares. De igual manera que se pueden agrupar variables por
medio de paréntesis, también se puede sacar factor común. En la Figura 3.11 aparecen
el circuito lógico y eléctrico donde se cumple que:
A + A * B = A * (1 + B)
Como 1 + B = 1,
A + A * B = A * 1 = A
También se puede aplicar la ley distributiva para simplificar un producto de varia-
bles como el siguiente, el cual queda representado en la Figura 3.12.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 88
CIRCUITOS LÓGICOS
Otra aplicación de la ley distributiva de un producto de variables es el que se
muestra a continuación, donde se sigue el mismo procedimiento que lleva al esquema
de la Figura 3.10.
A + A– * B = (A + A– ) * (A + B)
Anteriormente se ha visto que:
A + A– = 1
Luego el enunciado anterior se puede simplificar de la forma siguiente:
A + A– * B = 1 * (A + B) = A + B
Que traducido a circuitos eléctrico y lógico aparece en la Figura 3.13.
89
AA
B
A + B
= =
A
A
A
B
A
A
A
B =
A
B
Figura 3.12
A
B
A * B
A * B + A
A
A B =
A
B
Figura 3.13
A * (A + B) = A * A + A * B
Como A * A = A
A * A + A * B = A + A * B = A * (1 + B)
Como 1 + B = 1
A * (1 + B) = A * 1 = A
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 89
Como se puede ver, la puerta lógica AND se puede eliminar, quedando exclusiva-
mente una puerta OR o, lo que es igual, dos interruptores en paralelo en el circuito
eléctrico.
Siguiendo con aplicaciones de la ley distributiva de productos, a continuación se
muestra otra posibilidad para simplificar circuitos haciendo uso de los postulados vis-
tos anteriormente.
(A + B– ) * B = A * B + B– * B
Anteriormente se ha visto que:
B– * B = 0
Luego el enunciado anterior se puede simplificar de la forma siguiente:
(A + B– ) * B = A * B + 0 = A * B
Que traducido a circuitos eléctrico y lógico aparece en la Figura 3.14.
Como se puede ver, la puerta lógica OR se puede eliminar, quedando exclusivamen-
te una puerta AND o, lo que es igual, dos interruptores en serie en el circuito eléctrico.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS90
B
A
B
A B
=
A
B
(A + B) * B
A + B
Figura 3.14
3.3.1. Leyes de De Morgan
A veces, cuando se diseña un circuito lógico en un proceso industrial se presenta
la opción de llevarlo a cabo con lógica positiva o lógica negativa. 
En un circuito con lógica positiva la salida será 1 lógico como resultado de entra-
das 1. Por ejemplo, en una puerta AND la salida será 1 si todas las entradas son igual
a 1. De igual manera, en un circuito con lógica negativa la salida será 0 lógico si las
entradas son igual a 0.
La Figura 3.15 muestra un circuito AND con lógicas positiva y negativa. Al incluir
la negación en todas las entradas y salida se complica su comprensión desde un punto
de vista de lógica positiva, pero se puede interpretar fácilmente desde un punto de vis-
ta de lógica negativa. En ambos casos la salida tendrá valor 0 cuando alguna de las
entradas sea 0.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 90
CIRCUITOS LÓGICOS
La expresión «Si todas las entradas son ciertas la salida es cierta» es equivalente a
decir «Si al menos una entrada es falsa la salida es falsa». Aplicando notación de
Boole se puede escribir la equivalencia anterior, representada en la Figura 3.15, como:
A *B * C = A– + B– + C–
Utilizando el complemento de ambos términos aparece en el segundo de ellos una
doble negación que se puede eliminar, según se ha visto en el postulado referido al
circuito inversor. Por tanto, la expresión anterior quedará como:
A *B * C = A– + B– + C–
De forma similar se puede demostrar que partiendo de la expresión:
A +B + C = A– * B– * C–
cuya representación gráfica aparece en la Figura 3.16, se llega a la siguiente equiva-
lencia:
A +B + C = A– * B– * C–
91
A
S
C
B
C
A
S
B
Figura 3.15
A
S
C
B
C
A
S
B
Figura 3.16
Las expresiones anteriores se conocen como leyes de De Morgan. Según estas
leyes se puede probar que «un circuito AND para lógica positiva funciona también
como puerta OR para lógica negativa», o también que «un circuito OR para lógica
positiva funciona también como puerta AND para lógica negativa».
Concretamente la primera ley dice que «el complemento de una suma es igual al
producto lógico de los complementos de los elementos de la suma».
A + B = A– * B–
La Figura 3.17 representa la primera ley de De Morgan, tanto en su expresión lógi-
ca como el circuito eléctrico equivalente, todo ello desde el punto de vista de lógica
negativa. La tabla siguiente corresponde a la tabla de la verdad de este circuito.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 91
La segunda ley establece que «el complemento de un producto lógico es igual a la
suma de los complementos de los factores».
A * B = A– + B–
La Figura 3.18 representa la segunda ley de De Morgan, tanto en su expresión
lógica como el circuito eléctrico equivalente, todo ello desde el punto de vista de lógi-
ca negativa. La tabla siguiente corresponde a la tabla de la verdad de este circuito.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS92
A B A + B A� * B�
0 0 1 1
0 1 0 0
1 0 0 0
1 1 0 0
A B A * B A� + B�
0 0 1 1
0 1 1 1
1 0 1 1
1 1 0 0
A A * B
B
A A + B
B
=
A B
Figura 3.17
La tabla siguiente muestra un resumen de las identidades booleanas básicas.
LEYES FUNDAMENTALES
CIRCUITO Y CIRCUITO O INVERSOR
A * 0 = 0 A + 0 = A A + A
–
= 1
A * 1 = A A + 1 = 1 A * A
–
= 0
A * A = A A + A = A
––
A = A
A * A
–
= 0 A + A
–
= 1
LEYES de DE MORGAN
––––––––– –––––––––
A * B * C * ... = A
–
+ B
–
+ C
–
+ ... A + B + C + ... = A
–
* B
–
* C
–
* ...
IDENTIDADES COMPLEMENTARIAS
A + A * B = A A + A
–
* B = A + B
(A + B) * (A + C) = A + B * C
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 92
CIRCUITOS LÓGICOS
Aplicando las leyes anteriores se pueden simplificar circuitos. El ejemplo siguien-
te muestra cómo se puede llevar a cabo la simplificación de un enunciado de acuerdo
a estas leyes. Se supone que existen cuatro interruptores (A; B; C; D), con los cuales
se quiere que la salida sea igual a 1 (lámpara encendida), cuando se cumpla alguna de
las siguientes condiciones:
• Cuando A y B sean igual a 1 simultáneamente.
• Cuando D sea igual a 1.
• Cuando C sea igual a 1 o su complemento.
La Figura 3.19 muestra la combinación de interruptores tal como se describe en el
enunciado. Rápidamente se puede ver que la lámpara estará siempre encendida, puesto
que existen dos interruptores C complementarios, uno abierto y otro cerrado. Según las
leyes anteriores, estos dos interruptores forman un circuito OR en el que C + C
–
= 1,
luego siempre habrá un 1 en la salida.
93
A
B
=
A
B
A * B A + B
A
B
Figura 3.18
A
S+
B
C
D
C
S = A * B (AND)
S = C + D (OR)
S = C (INV)
.
Figura 3.19
Sin necesidad de haber dibujado el circuito eléctrico, se podría haber llegado a la
misma conclusión aplicando las leyesque rigen el álgebra de Boole. Concretamente,
para este caso:
S = (A * B) + (C+ D) + C
–
S = A * B + C + D + C
–
S = (A * B) + D + 1
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 93
La última expresión representa un circuito OR en el que una de las entradas es
siempre igual a 1. Por tanto el resto de entradas no tienen ninguna influencia sobre el
accionamiento de la lámpara. En otras palabras, el circuito es equivalente a conectar
directamente la lámpara a la fuente de alimentación de tensión, sin necesidad de utili-
zar ningún interruptor. Este es un caso muy simple que se deduce fácilmente con el
circuito eléctrico, pero existen otros no tan simples que se pueden simplificar, consi-
guiendo ahorros importantes.
La Figura 3.20 muestra una simplificación del circuito mostrado en la Figura 3.19,
donde se puede ver que siempre existe un interruptor cerrado, correspondiente a los con-
tactos C y su complementario. Esto hace que la lámpara siempre se encuentre encendida.
3.4. Puertas lógicas
En este apartado se van a contemplar conceptos vistos anteriormente, por lo que el
objeto fundamental del mismo es el de afianzar estos conceptos partiendo de ejemplos
simples. Al mismo tiempo se incluyen otra serie de puertas no mencionadas anterior-
mente y se incluyen algunos ejemplos de utilización.
Para desarrollar cualquier sistema electrónico digital, del más sencillo al más comple-
jo, es necesario un circuito que elabore los datos de entrada y proporcione a la salida una
conclusión lógica, sin posibilidad de errores. Con objeto de simplificar, solo se van a ver
sistemas con dos condiciones de entrada y una conclusión de salida aunque, como es lógi-
co, puede existir un número mayor de entradas para obtener una conclusión de salida.
Las conclusiones, en general, son el fruto de condiciones dadas por un conjunto de
valores SÍ y NO. Por ejemplo, para beber agua necesitamos tener sed y que exista
agua; si tenemos sed y no tenemos agua, lógicamente no podemos beber. Dicho de
otra manera, tenemos un SÍ (sed) y un NO (no hay agua), por tanto la conclusión es
un NO (no podemos beber). Otras condiciones pueden ser tener agua y no tener sed,
que también dará como conclusión un NO. Organizando las diversas combinaciones
posibles se tiene la que se denomina «tabla de la verdad».
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS94
A
S+
B
D
1
Figura 3.20
Condición Condición Conclusión
Tenemos sed Tenemos agua Podemos beber
NO NO NO
NO SÍ NO
SÍ NO NO
SÍ SÍ SÍ
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 94
CIRCUITOS LÓGICOS
Gracias a esta tabla es fácil deducir que solo podemos beber cuando tengamos sed
y tengamos a disposición el agua, es decir, cuando ambas condiciones sean positivas.
Esta función es la que se desarrolla mediante la lógica denominada «Y».
Ahora se sustituye la condición anterior de tener sed por la de tener vino, con lo
cual la tabla de la verdad queda de la forma siguiente:
95
OR
A
B
S
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
A
B
S
+
Figura 3.21
Condición Condición Conclusión
Tenemos vino Tenemos agua Podemos beber
NO NO NO
SÍ NO SÍ
NO SÍ SÍ
SÍ SÍ SÍ
Ahora queda claro que la posibilidad de beber existe aunque una de las condicio-
nes sea negativa. Solo si ambas condiciones son negativas no existirá la posibilidad de
beber. Esta función es la que se desarrolla mediante la lógica denominada «O».
Además de las funciones anteriores, existe la posibilidad de invertir la conclusión
mediante la función «INVERSOR». Aplicando esta función a la conclusión final de
cualquiera de las otras dos funciones, transforma un SÍ en un NO y viceversa.
Puesto que solo se trata de conocer los fundamentos y aplicaciones de las puertas
lógicas más utilizadas (Y, O, INV), se van a mencionar algunas de las propiedades
que les afectan habitualmente, sin entrar en excesivos detalles. Por otro lado, aunque
en el apartado anterior se han representado por medio de un tipo de simbología, aquí
se van a representar con cuadrados o rectángulos, utilizando dos entradas y una salida,
aunque en la práctica se utilizan todas las entradas que sean necesarias en función del
diseño de cada sistema en particular.
3.4.1. Puerta lógica «O» (OR)
La función O se considera como suma lógica: A + B = S. Tiene las mismas reglas
que la suma normal, excepto que 1 + 1 = 1. En conclusión, con esta función se tendrá
1 lógico a la salida cuando una o ambas entradas tengan valor lógico 1.
La Figura 3.21 muestra la tabla de la verdad de la puerta O, el símbolo lógico y un
esquema eléctrico equivalente. Como se puede apreciar, la configuración de este cir-
cuito está hecha con dos interruptores en paralelo. Cualquier interruptor que se cierre
hace que se encienda la lámpara.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 95
Este tipo de puerta se conoce a veces como «O inclusivo» para diferenciarla de
otro tipo de puerta lógica denominada «O exclusivo», que tiene la particularidad de
que la salida es 1 cuando una y solo una de las entradas tiene valor lógico 1. Cuando
ambas entradas son iguales, bien 0 ó 1, la salida es 0 lógico.
De la misma manera que se exponía anteriormente un símil para poder beber, aho-
ra se puede decir que si llegamos a un lugar determinado en el que existen dos clases
de bebida y ambas son de nuestro agrado, con la lógica del «O inclusivo» podemos
beber ambas (1+1=1). Sin embargo es imposible ir de vacaciones a Italia y Francia al
mismo tiempo, es decir 1+1=0. Esta es la lógica del «O exclusivo».
La Figura 3.22 muestra la tabla de la verdad, el símbolo lógico y un esquema eléc-
trico equivalente. Esta puerta se utiliza a veces como detector de desigualdad o igual-
dad, dependiendo del tipo de aplicación, por ejemplo para detectar discrepancias en
los sistemas redundantes. El circuito eléctrico dispone de dos interruptores dobles, de
forma que cuando el contacto principal está abierto, el auxiliar o complementario se
encuentra cerrado, o viceversa. Por tanto, si ambos interruptores tienen los contactos
principales abiertos o cerrados la lámpara estará apagada, mientras que cerrando uno
solo de ellos se enciende la lámpara, que avisa de la discrepancia.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS96
 OR
EXC
A
B
S
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
A
S
+
BA
B
Figura 3.22
AND
A
B
S
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
A B
S
+
Figura 3.23
3.4.2. Puerta lógica «Y» (AND)
La función Y se conoce como multiplicación lógica: A * B = S. Tiene las mismas
reglas que la multiplicación normal. En conclusión, con esta función solo se tendrá 1
lógico a la salida cuando ambas entradas tengan valor lógico 1.
La Figura 3.23 muestra la tabla de la verdad de la puerta Y, el símbolo lógico y un
esquema eléctrico equivalente. Como se puede apreciar, la configuración de este cir-
cuito está hecha con dos interruptores en serie. Hace falta cerrar ambos interruptores
para que se encienda la lámpara.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 96
CIRCUITOS LÓGICOS
3.4.3. Inversor lógico (NOT)
La salida de un inversor lógico es siempre lo contrario de la entrada, o lo que es
igual, el complemento de la entrada, de forma que S = A
–
.
La Figura 3.24 muestra la tabla de la verdad del inversor, así como un esquema
eléctrico equivalente. En este caso se trata de un circuito en el que al cerrar el inte-
rruptor se activa un relé y este a su vez abre un contacto situado en el circuito de ali-
mentación a la lámpara, de forma que con contacto de entrada abierto la lámpara se
encuentra encendida, y viceversa. 
Al asociar la función inversor a una entrada, la puerta lógica utilizará como entra-
da real el complemento de la entrada física. Como ejemplo, la Figura 3.25 muestra la
tabla de la verdad y el símbolo lógico de una puerta Y con inversor en una de las
entradas.
Como se puede ver, la entrada que realmente utiliza la puerta lógica, a efectos de
comportamiento, es el complemento de la entrada del circuito externo.
97
A S
0 1
10
A
S
+
A
ReléA S
Figura 3.24
AND
A
B
S
A A B S
0 1 0 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 1 0
Figura 3.25
NAND
A
B
S
A B S
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
A
S
+ Relé
B
Figura 3.26
3.4.4. Puerta lógica «NO Y» (NAND)
Cuando a la salida de una puerta lógica Y (AND) se coloca un inversor, se obtiene
otro tipo de puerta denominado NAND, contracción de NOT AND.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 97
La Figura 3.26 muestra la tabla de la verdad, el símbolo lógico y un circuito eléc-
trico que cumple las condiciones descritas para esta puerta. Como se puede ver, se tra-
ta de la unión de una puerta lógica Y con un inversor en la salida.
Para la lógica NAND, la tabla de la verdad muestra que la lámpara siempre per-
manecerá encendida, excepto cuando ambos contactos de entrada se encuentren cerra-
dos, momento en que se excitará el relé abriendo el contacto que se encuentra en el
circuito de alimentación de la lámpara, apagándola. Tan pronto como se abra uno de
los contactos de entrada la lámpara se encenderá, puesto que se desexcita el relé,
cerrando el contacto que alimenta a la lámpara.
3.4.5. Puerta lógica «NO O» (NOR)
Cuando a la salida de una puerta lógica O (OR) se coloca un inversor, se obtiene
otro tipo de puerta denominado NOR, contracción de NOT OR.
Al contrario que para la puerta NAND, para la lógica NOR la tabla de la verdad
muestra que la lámpara siempre permanecerá apagada, excepto cuando ambos contac-
tos se encuentran abiertos. Tan pronto como uno de ellos se cierra se excita el relé
haciendo que se apague la lámpara.
La Figura 3.27 muestra la tabla de la verdad, el símbolo lógico y un circuito eléc-
trico que cumple las condiciones descritas para esta puerta. Como se puede ver, se tra-
ta de la unión de una puerta lógica O con un inversor en la salida.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS98
NOR
A
B
S
A B S
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
A
B+
S
Relé
Figura 3.27
AND
N
B S
AA 0 0 1 1 0 0 1 1
B 0 1 0 1 0 1 0 1
C 0 0 0 0 1 1 1 1
S 0 0 0 1 0 0 0 0
M
Figura 3.28
3.4.6. Circuito inhibidor
Cuando en una puerta AND se introduce una entrada precedida de un inversor, esta
entrada actúa como inhibidor. Con este circuito, si A = 1, B = 1, ......M = 1, la salida S
= 1 siempre que N = 0. Cuando N = 1 se inhibe la coincidencia de A, B, ..... M, dando
como resultado S = 0.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 98
CIRCUITOS LÓGICOS
La Figura 3.28 muestra el símbolo lógico para una puerta AND con una entrada
inhibidora, así como la tabla de la verdad para tres entradas, donde se puede ver que
cuando la entrada inhibidora (c) es igual a 1, aunque coincidan las otras con valor 1,
la salida será 0. Esta configuración se conoce también como anticoincidencia.
La tabla siguiente muestra un resumen de lo visto hasta ahora relacionado con las
puertas lógicas y sus funciones matemáticas.
99
Función Ecuación lógica
AND S = A * B
OR S = A + B
OR EXCLUSIVO S = (A * B
–
) + (A
–
* B)
NOT S = A
–
NAND S = A * B
NOR S = A + B
3.5. Circuitos con realimentación
Hasta ahora todos los circuitos estudiados hacen que cambie la salida tan pronto
como se produzca un cambio en alguna entrada, es decir, ninguno es capaz de almace-
nar estados. Como consecuencia es necesario introducir alguna función que sea capaz
de mantener la salida en un valor determinado (0 ó 1), sin necesidad de mantener la
entrada que produjo el cambio. En otras palabras, hay que memorizar el estado hasta
que otra entrada haga que este se modifique.
Esta función, utilizada en automatismos con relés o contactores, se obtiene toman-
do la variable que representa el resultado final como otra variable de entrada, tratán-
dose, por tanto, de un circuito con realimentación.
P
M
R1
Figura 3.30
Relé
Marcha
R
R = P * (M + R1)
R1
Tensión de alimentación
Parada
Figura 3.29
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 99
La Figura 3.29 representa el caso más simple en el que al pulsar el contacto de
marcha se cierra el circuito del relé. El contacto R1 del relé, normalmente abierto, se
conecta en paralelo con el pulsador de marcha de forma que una vez pulsado M se
excita el relé, quedando en esta situación indefinidamente. 
Para «borrar» la memoria se debe incluir un contacto normalmente cerrado en
serie con el sistema anterior, de forma que al pulsarlo se borre la memoria, o lo que es
igual, se desenclave el sistema.
La Figura 3.30 representa el diagrama equivalente al de la Figura 3.29 en forma de
bloques lógicos para realizar esta función, cuyo funcionamiento es el siguiente:
• Al pulsar M se hace llegar 1 a una entrada del circuito OR, haciendo que su sali-
da sea 1 y llegue a una de las entradas de la puerta AND, que junto al contacto P,
que también tiene valor 1, hace que la salida del AND sea 1, excitando al relé.
• Al tener 1 la salida del AND también lo tendrá una entrada del circuito OR, por
realimentación del contacto R1, haciendo que permanezca excitado el relé aun-
que el pulsador M haya pasado a valor 0, es decir, se haya dejado de pulsar.
• Cuando se pulsa P su valor pasa a 0, haciendo que la salida de la puerta AND
pase a 0 desexcitando el relé, al mismo tiempo que se desenclava el sistema al
eliminar la realimentación.
El circuito actúa de forma similar colocando varios pulsadores de parada en serie
y varios pulsadores de marcha en paralelo, tal como muestra la Figura 3.31.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS100
Relé
M1
R
R = P1 * P2 * (M1 + M2 + R1)
Tensión de alimentación
P1
R1
M2
P2
Figura 3.31
3.5.1. Algunos ejemplos prácticos
Un caso práctico se tiene en el sistema eléctrico de marcha-parada de un motor tri-
fásico con protección de sobreintensidad por medio de un contacto que interrumpe la
marcha del motor, como muestra el esquema de la Figura 3.32.
En esta figura aparece tanto el diagrama de alimentación eléctrica al motor por
medio de las tres fases R, S, T como el conexionado de los elementos que componen
el sistema de puesta en marcha y parada. Se puede ver que al pulsar M se excita el
relé, cerrando los contactos de fuerza y el de mando denominado R1, el cual hace que
permanezca cerrado el circuito del relé cuando se deja de pulsar M. Cuando se produ-
ce sobreintensidad en alguna de las fases se abrirá el contacto I1, haciendo que se cor-
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 100
CIRCUITOS LÓGICOS
te la tensión al relé y, como consecuencia, se pare el motor al abrir los contactos R, S,
T al mismo tiempo que se abre R1 para que el sistema quede preparado para el arran-
que siguiente. Exactamente igual ocurre cuando se pulsa P, o pulsador de parada.
Otro caso se tiene cuando se quiere controlar el nivel de un recipiente por medio de
una bomba, pero la acumulación no es suficiente para mantener la bomba siempre en ser-
vicio. En este caso se instalan dos interruptores de nivel o levostatos, con el fin de contro-
lar la puesta en marcha y la parada del motor que acciona la bomba, tal como muestra la
Figura 3.33, donde aparecen los esquemas de circuitos lógicos y eléctrico equivalente.
Se parte de la situación en la que la bomba se encuentra parada y el nivel está
aumentando. Al alcanzar el alto nivel detectado por el LSH se pone en marcha, al mis-
mo tiempo que se queda memorizada por medio del contacto C1, por lo que aunque
disminuya el nivel por debajo del LSH permanece en marcha. Esta situación se man-
101
Relé
M
RR = P * I1 * (M + R1)
P
R1
I 1
MS
R
T
Relé
R1 I 1
Figura 3.32
LSH
C
C = LSL * (LSH + C1)
LSL
C1 Contactor
LSH
LSL CONTACTOR
R
S
T
C1
M
Figura 3.33
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 101
tiene hasta alcanzar el bajo nivel detectado por el LSL, momento en que se para la
bomba, repitiéndose el ciclo de llenado del recipiente.
En la Figura 3.34 se muestra una variante del sistema que aparece en la Figura 3.32.
En este caso se han sustituido los pulsadores de marcha y paro por dos contactosproce-
dentes de otro sistema, por ejemplo un sistema de control distribuido o un controlador
lógico programable, los cuales accionan los relés de marcha (RM) y de parada (RP). El
contacto de puesta en marcha se encuentra normalmente abierto, igual que en el caso del
pulsador. El contacto de parada también se encuentra abierto, mientras que en el caso del
pulsador se encontraba normalmente cerrado. En el circuito de mando del relé, o contac-
tor, que acciona el motor se eligen los contactos abierto para poner en marcha y cerrado
para efectuar la parada, igual que ocurría con los pulsadores de la Figura 3.32. De esta
manera los relés RM y RP se encuentran siempre sin tensión, excitándose únicamente
durante unos pocos segundos, necesarios para accionar el circuito de mando del contactor. 
3.6. Multivibradores
El multivibrador es un oscilador que genera un tipo de onda no senoidal, tal como
cuadrada, rectangular o triangular, a veces conocida como diente de sierra. Los multi-
vibradores pueden oscilar de forma permanente, sin necesidad de excitación externa,
o bien pueden ser osciladores excitados, en cuyo caso tanto la frecuencia como el fun-
cionamiento están controlados por una tensión de excitación o disparo.
3.6.1. Multivibrador «astable»
Los multivibradores que oscilan de forma permanente se conocen con el nombre
de «astables» y se utilizan para generar frecuencias de pulsos, siendo, por tanto, osci-
ladores. En la Figura 3.35 aparece un esquema simple de oscilador cuya frecuencia de
pulsos de salida S1 y S2 viene dada por las constantes de tiempo R1 C1 y R2 C2.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS102
Relé
RM1
R
RP1
R1
I 1
MS
R
T
Relé
R1 I 1
RM
M
RP
P
Figura 3.34
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 102
CIRCUITOS LÓGICOS
Cuando se aplica tensión de alimentación Vcc al circuito, uno de los transistores
T1 o T2 empieza a conducir debido a que es imposible que ambos transistores sean
exactamente iguales desde el punto de vista de construcción. Una vez iniciada esta
conducción, por medio de los conjuntos RC se polarizan alternativamente la base de
uno u otro transistor poniéndose en conducción o bloqueo. De esta forma las salidas
S1 y S2 serán cero cuando el transistor correspondiente se encuentre en conducción o
cortocircuito por estar comunicada esa salida a masa, o bien tendrá la tensión de ali-
mentación Vcc cuando el transistor correspondiente se encuentre en situación de blo-
queo. Esta situación corresponde a los estados 0 y 1 lógico respectivamente, repitién-
dose indefinidamente mientras el circuito se encuentre con alimentación. Esto da
como resultado una secuencia de pulsos sincronizados, generalmente de onda rectan-
gular, que se pueden utilizar como reloj, como aparece en la Figura 3.2. 
3.6.2. Multivibradores monoestable y biestable
Los multivibradores que necesitan excitación externa no son realmente oscilado-
res, puesto que requieren impulsos externos para iniciar su funcionamiento. Dentro de
este grupo se encuentran el monoestable que dispone de un estado estable y el biesta-
ble que dispone de dos estados estables; este último se conoce como flip flop o tam-
bién báscula o trigger.
La Figura 3.36 muestra un tipo de multivibrador monoestable, también conocido
como disparo, el cual se utiliza para producir impulsos con una determinada duración
(t). Normalmente la salida se encuentra en reposo, es decir, a 0 lógico, pasando al esta-
do opuesto cuando recibe un impulso de mando en la entrada, permaneciendo en este
estado durante un cierto tiempo para volver automáticamente al estado inicial.
En algunos casos se puede ajustar el tiempo que ha de permanecer la situación de
salida una vez que se ha excitado la entrada por medio de un pulso. Es lo que se deno-
mina retardo del pulso de salida (DELAY ON). En otras ocasiones se puede hacer que
el retardo se inicie una vez que ha desaparecido el pulso de entrada, conociéndose
como DELAY OFF.
103
Vcc
S1 S2
RC1 RC2R1 R2
C1 C2
T1 T2
Figura 3.35
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 103
Por último, la Figura 3.37 muestra un multivibrador biestable. Como se puede ver,
es muy parecido al multivibrador astable, siendo la diferencia fundamental el que los
condensadores han sido sustituidos por resistencias. Como consecuencia, para hacer
que un transistor se ponga en conducción y el otro en bloqueo es necesario aplicar
impulsos externos en las entradas E1 y E2, también conocidas como Set y Reset. En
las salidas S1 y S2 se tendrá 0 ó 1 lógico en función de la situación del transistor.
Estos estados también se conocen como Verdadero (True) o Falso (False).
La Figura 3.38 muestra una forma de representar los multivibradores biestables
cuando se opera con circuitos lógicos. Cuando se aplica un pequeño impulso en la
entrada S (Set) del elemento este hace que su salida T se mantenga a nivel 1 hasta que
se aplique otro impulso de rearme en la entrada R (Reset), momento en que pasa a 1
la salida F y a 0 la T. Evidentemente, la duración del tiempo que se encuentra memo-
rizada la entrada S dependerá del tiempo que se tarda en aplicar el impulso de rearme.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS104
+ Vcc
Salida
Entrada
t
0
1
Figura 3.36
Vcc
S2S1
E1 E2
Figura 3.37
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 104
CIRCUITOS LÓGICOS
Lo mismo se puede decir del tiempo que ha de transcurrir en el ciclo inverso. En cual-
quiera de los casos, cuando la salida T es 1 la F es 0 y viceversa.
3.6.3. Circuito flip flop con puertas lógicas
Como se ha mencionado anteriormente, el multivibrador biestable o circuito flip flop
tiene dos estados estables que dependen de las condiciones de las entradas. Estas dos
entradas se conocen con los nombres de SET y RESET. A su vez dispone de dos salidas
asociadas a estos estados que se conocen como VERDADERO (T) y FALSO (F).
La Figura 3.39 muestra un circuito flip-flop utilizando puertas lógicas NAND.
Durante el funcionamiento normal de este circuito, las entradas SET y RESET tienen
nivel lógico 1 excepto cuando se acciona alguna de ellas que pasan a 0 momentánea-
mente, como muestran los pulsos de la Figura 3.38.
Para empezar se supone que la entrada S se encuentra a 0, al mismo tiempo la
entrada R se encuentra en 1. En esta situación la salida T pasará a valor 1. El 1 proce-
dente de la salida T y el 1 de la entrada R dan como resultado que la puerta NAND F
tenga un 0 en la salida F. Este 0 hace que la puerta NAND T permanezca con salida 1
aunque desaparezca el pulso negativo de la entrada S.
Al cabo de un tiempo se aplica un pulso negativo a la entrada R, pasando esta a
valor 0. Como consecuencia la salida F pasa a valor 1. Este 1 junto con el 1 de la
entrada S hacen que la salida T pase a 0.
105
S
R
T
Impulso en la entrada S
Impulso en la entrada R
Salida T memorizada
F
Salida F memorizada
0
1
1
0
Figura 3.38
NAND
T
NAND
 F
Salida VERDADERO
Salida FALSO
Entrada SET
Entrada RESET
T
F
S
R
Figura 3.39
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 105
Como resumen se puede ver que el flip flop bascula de un estado a otro en función
de los pulsos aplicados en las entradas S y R, permaneciendo en un estado cualquiera
hasta recibir un nuevo pulso en la entrada contraria. De aquí la denominación de mul-
tivibrador biestable.
3.7. Contadores y temporizadores
Aunque existen diversos tipos de contadores y medidores de tiempo, aquí solo se
presentan como ejemplo contadores binarios de eventos que se pueden construir utili-
zando flip flop con comando exterior. 
La Figura 3.40 muestra el tipo de memoria utilizado, en donde se pueden ver las
entradas de control y las entradas y salidas de información.
— Entradas de información. 
• S = SET = Entrada de puesta a 1 de la salida T
• R = RESET = Entrada de puesta a 0 de la salida T
— Entradas de control.
• CLOCK = Impulsos periódicos que controlan la memorización de la información.
• PRESET = Puesta a 1 de la báscula, independientemente de las entradas de
información.
• CLEAR = Puestaa 0 de la báscula, independientemente de las entradas de infor-
mación.
—Salidas de información.
• T = VERDADERO = Salida
• F = FALSO = Salida complementaria
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS106
S
R
T
F
CLOCK
PRESET
CLEAR
Figura 3.40
20 21 22 23
Ent. de
pulsos
CL
T
F
S
R
CL
T
F
S
R
CL
T
F
S
R
CL
T
F
S
R
Figura 3.41
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 106
CIRCUITOS LÓGICOS
La Figura 3.41 muestra una cadena de circuitos binarios flip flop en la que la salida
T de cada circuito se conecta a la entrada de reloj, o disparo, del siguiente. Para empe-
zar se considera que todos los binarios se encuentran en estado 0, o lo que es igual, se
encuentra en 0 la salida T y en 1 la F. Con esta configuración los pulsos se aplican a la
primera etapa, la cual dispara la siguiente y así sucesivamente. Cada vez que un pulso
de reloj pasa de 1 a 0 cambia de estado la primera etapa. Cada vez que una salida T
pasa de 1 a 0 cambia de estado la etapa siguiente que se encuentra conectada.
La Figura 3.42 indica las formas de onda que aparecen en las salidas T de cada bás-
cula como consecuencia de aplicar 16 pulsos de disparo en la entrada. El primer pulso
aplicado a la entrada hace que el primer binario pase del estado 0 al estado 1, mientras
que el resto permanecen en 0. El segundo pulso exterior hace que el primer binario
vuelva al estado 0, mientras que el segundo binario pasa al estado 1 y el resto permane-
ce en 0. Así sucesivamente hasta que se completa el ciclo de 16 pulsos externos.
107
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Pulsos de entrada
Estado
1
0
1
0
1
0
1
0
Binario
20
21
22
23
Figura 3.42
Se puede comprobar que se cumplen los siguientes principios:
• El primer flip flop realiza una transición cada vez que se recibe un pulso exterior.
• Cada uno de los restantes flip flop realiza una transición cuando el que le prece-
de realiza la transición de 1 a 0.
• Una cadena de binarios contará hasta el número 2n antes de volver a su estado
inicial.
Con objeto de aclarar este concepto se puede hacer uso de la tabla siguiente, que
relaciona los estados de todos los circuitos binarios en función de los pulsos exterio-
res aplicados.
Para leer la totalización de este contador rudimentario es necesario acoplar a las
salidas 20, 21, 22 y 23 de la Figura 3.41 algún dispositivo que, en cualquier caso, lleve a
efecto la totalización en números binarios. Para convertir a otro sistema de numera-
ción es necesario incluir un sistema de conversión que aquí no se describe por tratar
solamente de ver los conceptos básicos de funcionamiento de estos sistemas.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 107
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS108
Pulso de Estado del binario
Entrada 23 22 21 20
0 0 0 0 0
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
3 0 0 1 1
4 0 1 0 0
5 0 1 0 1
6 0 1 1 0
7 0 1 1 1
8 1 0 0 0
9 1 0 0 1
10 1 0 1 0
11 1 0 1 1
12 1 1 0 0
13 1 1 0 1
14 1 1 1 0
15 1 1 1 1
16 0 0 0 0
3.7.1. Algunos ejemplos de utilización
Aunque existe gran cantidad de aplicaciones de los contadores, en este apartado se
presentan dos de las más usuales, como son las de contar objetos y medida de tiempo
o temporizadores.
— Contador de objetos. Un contador «cuenta» pulsos asíncronos de entrada, es decir,
sin que dependan de una frecuencia fija. Entre las muchas aplicaciones de los con-
tadores se puede decir que existen procesos de fabricación en los que es necesario
contar objetos que van pasando por una cinta transportadora, por ejemplo en cade-
nas de envasado. Colocando un emisor en uno de los lados de la cinta y un detector
o receptor en el otro extremo, cada vez que se interrumpa la detección por interpo-
nerse el elemento a contar se producirá un impulso que se envía al contador.
En este tipo de contador se puede incluir un sistema de predeterminación,
de forma que cuando se alcance un cierto número de objetos se lleve a cabo
una acción determinada, por ejemplo dar un aviso y poner a cero el contador
para iniciar un nuevo proceso de contar objetos.
— Contador de tiempo. Un temporizador «cuenta» pulsos con una frecuencia fija
y conocida, generalmente procedente de un oscilador de cuarzo. El uso más
conocido es el reloj digital. Concretamente en el campo de circuitos lógicos se
utiliza para diversas funciones, tales como:
• Mantener un pulso durante un tiempo determinado aunque el correspondiente a
la entrada haya desaparecido.
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 108
CIRCUITOS LÓGICOS
• Retrasar durante un tiempo determinado el efecto producido por un pulso de
entrada.
• Función de «watchdog», que proporciona un medio para llevar a cabo una fun-
ción o tarea si después de un tiempo determinado no se ha recibido algún pul-
so de entrada que indique que un sistema en particular se encuentra en opera-
ción. Generalmente se utiliza como medio de protección para desconectar
aplicaciones cuando estas utilizan varias máquinas y alguna de ellas ha dejado
de funcionar.
109
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 109
03 capitulo 03 ok 14/9/06 19:57 Página 110
Sistema de alimentación 
ininterrumpida
4.1. Conceptos generales
Los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI) son equipos absolutamente
necesarios para mantener alimentados los equipos de control de forma permanente,
evitando que puedan verse afectados por cortes de cualquier tipo en el circuito de
alimentación de la red de corriente alterna. Se conocen también con el nombre de
Uninterruptible Power Supplies (UPS).
Existen diversas composiciones de elementos para formar sistemas de alimenta-
ción ininterrumpida. Dependiendo de los requerimientos de los equipos a los que ha
de alimentar el SAI, estos pueden estar configurados de diversas formas como se pue-
de ver en los apartados siguientes, donde se mencionan algunos de los más usuales y
sus principales características.
4.1.1. Tipos de sistemas de alimentación
Más adelante se describirán de forma individualizada las características de los ele-
mentos que componen los sistemas de alimentación, por lo que en este primer aparta-
do solo se trata de dar una visión general de los diferentes tipos de SAI. Básicamente
existen tres tipos de SAI, conocidos genéricamente como:
• Standby o fuera de línea.
• Standby con transformador ferromagnético.
• Continuo o en línea.
Dada la función crítica que han de llevar a cabo los sistemas de control, el más
adecuado es el SAI continuo, el cual realiza una doble conversión de corriente en
línea. Además será necesario complementarlo con otro SAI en paralelo y equipos
generadores auxiliares, como se verá más adelante. Para comprender su funciona-
miento, de momento se describen los SAI no redundantes.
La Figura 4.1 muestra un sistema standby, también conocido como conmuta-
ción a inversor en frío. Con este sistema se suministra alimentación a la carga
4
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 111
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS112
directamente desde la red y solo ante fallo de la misma se produce la conmutación
al inversor, avisando por medio de algún elemento de alarma que se está alimen-
tando a partir de baterías durante los próximos quince o treinta minutos en función
de la capacidad de esas baterías. El tiempo de transferencia del conmutador auto-
mático puede oscilar entre 0,5 y 2 segundos dependiendo de cada caso en particu-
lar. El inversor se encuentra normalmente en reposo y el rectificador solo tiene que
mantener cargada la batería para cuando tenga que suministrar energía al inversor.
Este sistema es el más fiable y más económico y se utiliza generalmente en instala-
ciones de alumbrado de emergencia en los que no se ocasiona ningún problema si
la transferencia tiene un pequeño corte, comúnmente denominado paso por cero.
En otras palabras, existe un periodo de tiempo en el que la tensión suministrada a
la carga es de cero voltios.
La Figura 4.2 muestra el sistema standby con transformador ferromagnético reso-
nante. Solo se diferencia del anterior en que se ha introducidoeste transformador
especial entre el conmutador automático y la carga. El transformador tiene funciones
tales como: limitación de voltaje, filtrado y disminución del tiempo de transferencia
debido a sus especiales características. 
Este tipo de SAI fue considerado en el pasado como si mantuviera la salida sin
paso por cero, pero paulatinamente ha caído en desuso. Fue válido cuando los elemen-
tos a los que tenía que alimentar eran electromagnéticos, por ejemplo relés, electro-
válvulas, etc. Con los avances tecnológicos los sistemas de relés han sido sustituidos
CA
CC
CC
CA
BATERIACARGADOR
Red
CARGA
RECTIFICADOR INVERSOR
Conmutador
automático
Figura 4.1
CA
CC
CC
CA
BATERIACARGADOR
Red
CARGARECTIFICADOR INVERSOR
Conmutador
 automático
TRAFO
RESON.
Figura 4.2
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 112
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA 113
por controladores lógicos programables con tecnología digital. Como consecuencia
han desaparecido los tiempos de retardo en el accionamiento de los elementos, obli-
gando a que el SAI no tenga paso por cero.
La Figura 4.3 muestra el sistema conocido como continuo o doble conversión en
línea, en el que la carga siempre se alimenta directamente del inversor. En caso de
fallo de la red la batería se encarga de suministrar la energía necesaria a través del
inversor sin que exista interrupción en el suministro. Este es el sistema que más se uti-
liza precisamente por no existir paso por cero. Hay que tener en cuenta que algunos
equipos de control a los que ha de alimentar no pueden soportar cortes de suministro
mayores de unos pocos milisegundos.
Por último, la Figura 4.4 muestra el diagrama de bloques de un sistema de alimen-
tación formado por un SAI continuo al que se ha añadido un by pass estático para
absorber picos de sobrecarga y un by pass manual para funciones de mantenimiento.
Teniendo en cuenta la función crítica del SAI, a partir de aquí se tratará exclusi-
vamente de los elementos que componen el denominado continuo, así como aquellos
elementos que pueden considerarse auxiliares del mismo. Como se puede ver en la
Figura 4.4, existe una serie de bloques considerados importantes, como son:
CA
CC
CC
CA
BATERIACARGADOR
Red
CARGA
RECTIFICADOR INVERSOR
Figura 4.3
CA
CC
CC
CA
BATERIACARGADOR
Red 1 CARGAS
Red 2
By pass
manual
C.A.
C.A.
RECTIFICADOR INVERSOR ESTÁTICO
Conmutador
 automático
Figura 4.4
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 113
• Rectificador.
• Batería de acumuladores.
• Inversor estático.
• By pass estático.
• By pass manual.
Aunque en los apartados siguientes se describen con más detalle las características
y funciones de cada uno de los bloques, aquí se menciona de forma general cada una
de estas funciones.
El rectificador convierte la corriente alterna de la red en corriente continua y el
inversor vuelve a convertir la corriente continua a corriente alterna para alimentar las
cargas o usuarios del sistema. Cuando se produce un fallo en la red, la batería de acu-
muladores suministra la energía al inversor estático para seguir manteniendo alimen-
tadas las cargas sin interrupción.
El tiempo que puede permanecer la red sin tensión, sin afectar a las cargas, depen-
derá de la capacidad de almacenamiento de la batería, normalmente 30 minutos nomi-
nales consumiendo todas las cargas a máxima potencia. Un circuito auxiliar proce-
dente del rectificador se encarga de mantener cargada la batería cuando existe tensión
en la red de corriente alterna.
Para el supuesto en que la potencia demandada esté muy ajustada a la potencia
suministrada por el SAI, existe un by pass estático, o conmutación automática, que
transfiere la carga a la red durante eventuales excesos de consumo o sobrecargas.
Por último existe un by pass manual que alimenta directamente a los consumido-
res desde la red de corriente alterna cuando es necesario llevar a cabo tareas de mante-
nimiento.
La alimentación al SAI puede ser trifásica a 380 Vca y Neutro, dando una salida
trifásica con neutro, o monofásica a 220 Vca. Asimismo pueden existir una o dos ali-
mentaciones de corriente alterna procedentes cada una de ellas de diferentes redes
generales de distribución. En la Figura 4.4 la línea principal viene de una red exterior,
mientras que tanto by pass estático como by pass manual se alimentan de otra red
exterior.
La Figura 4.5 representa un caso en el que tanto alimentación como salida son tri-
fásicas con neutro. La diferencia de potencial entre fases en el lado de salida (ddpFF)
es de 220 Vca. Aplicando las leyes de la corriente trifásica, entre cada fase y neutro
(ddpFN) se tendrá:
ddpFN = = = = 127 Vca
220
�
�3�
ddpFF
�
�3�
ddpFF
��
2 × sen(60)
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS114
CA
CC
CC
CA
BATERIA
R
S
T
N
R
S
T
N
SAI
 Red
380 Vca
 Cargas
220 Vca
Figura 4.5
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 114
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
4.1.2. Semiconductores
Los elementos semiconductores utilizados en la electrónica de potencia son los
diodos, transistores y tiristores. En el capítulo de electrónica básica se ha visto el fun-
cionamiento de diodos y transistores, por lo que solo queda ver el comportamiento de
los tiristores.
El tiristor, además de ánodo y cátodo como un diodo, dispone de una tercera cone-
xión que se denomina puerta. La Figura 4.6 muestra el símbolo utilizado para un tiris-
tor. Realmente es el mismo que el de los diodos añadiendo una conexión para el elec-
trodo de mando, unida al cátodo para los tiristores con mando positivo y junto al
ánodo para los de mando negativo.
El tiristor tiene las mismas características que un diodo cuando se le aplica tensión
inversa, es decir, opone una gran resistencia al paso de corriente, encontrándose en lo
que se conoce como estado de bloqueo inverso o circuito abierto.
Cuando se le aplica tensión directa a un diodo no ofrece resistencia al paso de
corriente, por lo que se encuentra en estado de conducción. En el caso de los tiristo-
res, al aplicar tensión directa su estado de conducción está gobernado por la puerta.
En principio se encuentra en situación de bloqueo directo porque la puerta impide el
paso de corriente, por lo que aún permanece su estado de bloqueo o circuito abierto.
Aplicando un impulso positivo de muy pequeña intensidad en la puerta se produce
el desbloqueo del tiristor, permitiendo el paso de corriente. En este momento pasa al
estado de conducción o circuito cerrado, comportándose exactamente igual que un
diodo con polarización directa. La Figura 4.7 muestra los tres estados mencionados.
115
TENSIÓN DIRECTA
TENSIÓN INVERSA
Anodo
Cátodo
Puerta
Figura 4.6
INTENS.
 AMP.
TENSION
VOLTIOS
BLOQUEO
INVERSO
BLOQUEO
DIRECTO
CONDUCCIÓN
400 200
1 2 200 400
Figura 4.7
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 115
Cuando el tiristor pasa al estado de conducción no vuelve al estado de bloqueo al
desaparecer el impulso aplicado a la puerta, es decir, se queda enclavado. Para llevar-
lo de nuevo al estado de bloqueo hay que eliminar la tensión aplicada al ánodo, lle-
vándola a valor cero. En otras palabras, hay que dejar de alimentar el ánodo con la
parte «positiva» de la corriente alterna. Esto sucede al pasar por cero la onda sinusoi-
dal de la corriente alterna.
De acuerdo a este comportamiento, aplicando un impulso a la puerta en un semici-
clo de la corriente alterna se producirá el estado de conducción, pero al pasar por cero
se bloqueará el tiristor hasta que reciba un nuevo impulso. Cuando se dispone de un
medio capaz de emitir un impulso en cada semiciclo positivo de la corriente alterna se
tendrá una forma de onda a la salida como la que aparece en la Figura 4.8, en la cual
se han aplicado impulsos en los tiempos 1, 3, 5 y 7.
Entre los tiempos 0 y 1 el tiristor se encuentra en estado de bloqueo positivo; entre
los tiempos 1 y 2 se encuentra en conducción y así sucesivamente. Como se puede
apreciar, controlando el momento en el que se aplica el impulso se tiene mayor o
menor salidade corriente. Tomando el ciclo completo de la sinusoide como 360°, el
primer semiciclo de la corriente alterna, comprendido entre los tiempos 0 y 2 en la
Figura 4.8, forma un ángulo de 180° como tiempo de conducción α. Véase la Figura
4.11 para más detalles de este parámetro. La puerta del tiristor se comporta como un
interruptor de mando, luego el estado de conducción puede ser provocado en cual-
quier momento.
En la Figura 4.8, el área rayada indica la intensidad de paso, de forma que contro-
lando el momento en que se produce el impulso a la puerta se controla la potencia
suministrada al circuito de salida. 
4.2. Rectificador de potencia
El objeto de un rectificador es convertir la corriente alterna a corriente continua.
En el capítulo correspondiente a electrónica básica se han visto circuitos rectificado-
res con regulación de tensión por medio de diodos y transistores, aunque ese tipo de
diseño solo se suele utilizar para cargas de baja potencia. 
Los rectificadores de potencia pueden proporcionar corriente continua sin regular,
conocida como corriente pulsante o pulsatoria, o bien corriente continua regulada. El
primer caso no se va a contemplar porque se compone exclusivamente del transfor-
mador y del circuito rectificador, generalmente de onda completa. Cuando se trata de
rectificadores con regulación para media o alta potencia se recurre a colocar varios
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS116
0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tiempo
Figura 4.8
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 116
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
transistores de paso, o bien regular la corriente de salida por medio de tiristores. En
cualquiera de los casos se necesita un circuito de control específico, bien para el siste-
ma transistorizado o para el sistema tiristorizado.
4.2.1. Regulación con transistores
En la Figura 4.9 se muestra un rectificador con regulación por transistor en serie.
Este tipo de fuente para potencias medias consta de un transformador, un rectificador
de onda completa por medio de un puente de diodos y el sistema de estabilización
transistorizado. Sin entrar a ver el funcionamiento interno del circuito, basta con saber
que el primero de los transistores actúa como regulador serie, el segundo como regu-
lador de la carga, mientras que el último, acoplado al circuito de control, actúa como
regulador de tensión.
117
+ Vcc
C
ar
ga
1
2
3
4
 CIRCUITO
de CONTROL
Vca
- Vcc
A
V
Figura 4.9
Como se ha visto en el capítulo de electrónica básica la conducción entre emisor y
colector depende de la polarización de la base. En este caso la polarización la genera
un circuito de control en el que se tiene como entradas la tensión regulada y la intensi-
dad de paso. El circuito de control suele disponer de limitadores de intensidad de for-
ma que cuando aumenta el consumo reduce automáticamente la tensión para evitar
sobreintensidad. Cuando se produce un cortocircuito en los terminales de la carga, el
regulador de la Figura 4.9 puede llegar a cero voltios de salida para proteger el con-
junto. Una vez que desaparezca el cortocircuito se recuperará la tensión en los termi-
nales de salida.
4.2.2. Regulación con tiristores
La Figura 4.10 muestra un tipo de rectificador con regulación de potencia por
medio de tiristores. Con objeto de facilitar su comprensión aparece como ejemplo un
sistema monofásico. En este caso el puente rectificador está compuesto por dos tiris-
tores, numerados como 1 y 2, y dos diodos numerados como 3 y 4. Los diodos tam-
bién pueden ser tiristores, aunque es suficiente con dos de ellos para controlar el paso
de corriente. Como ya se ha visto, los diodos permiten el paso de corriente siempre
que la onda sea positiva, mientras que los tiristores necesitan un impulso sobre la
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 117
puerta para que se produzca el desbloqueo. De esta manera se puede controlar el paso
de corriente utilizando solamente dos tiristores.
En el esquema de la Figura 4.10, primero se convierte la corriente alterna a un
nivel adecuado en el transformador y después se rectifica por medio del puente de dio-
dos y tiristores ya descrito. Los tiristores entran en conducción por medio de impulsos
generados en el circuito de control en función de la tensión de salida. Asimismo el cir-
cuito de control regula la intensidad de salida, de forma que si esta excede del valor
máximo admisible disminuirá el tiempo de conducción de los tiristores. Como conse-
cuencia el rectificador puede trabajar frente al límite de tensión o al de intensidad.
La Figura 4.11 muestra diferentes ángulos de activación de los tiristores o tiempos
de conducción α. La regulación del rectificador se realiza modificando los tiempos de
conducción en el circuito de control. En este ejemplo se muestra un rectificador de
media onda para ver el comportamiento de la regulación de carga, por lo que solo uno
de los tiristores permite el paso de corriente. Aplicando los impulsos a los dos existen-
tes en el puente se tendrá el rectificador de onda completa.
4.3. Sistema de corriente continua
El sistema de corriente continua está formado por el conjunto de rectificador y
batería de acumuladores que aparece en la Figura 4.12 en forma de bloques.
Realmente el cargador no es un elemento independiente del rectificador aunque en
esta figura aparezca como tal para aclarar los conceptos.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS118
+ Vcc1
2
3
4
 CIRCUITO
de CONTROL
Vca
- Vcc
V
A
Figura 4.10
Tiempo
Entrada
Tiempo
Salida
Tiempo
Impulsos
90 º 45 º 135 º
Figura 4.11
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 118
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
En operación normal existe entrada de corriente alterna procedente de la red, por
lo que el rectificador tiene las funciones de alimentar el inversor estático y mantener
cargada la batería. Cuando se produce un fallo en la red, la batería debe alimentar al
inversor para que no falte energía en las cargas o consumidores. Cuando retorna la
tensión de red, el rectificador vuelve a alimentar al inversor y al mismo tiempo se ini-
cia la carga rápida automática de la batería hasta que se encuentre totalmente cargada,
momento en que pasa al tipo de carga en flotación.
El diodo que aparece entre la batería y la línea de alimentación principal de las
figuras vistas hasta ahora tiene la función de evitar el paso de corriente continua del
rectificador a la batería cuando existe tensión de red. Sin embargo, cuando desaparece
la tensión de red permite el paso de corriente de la batería al inversor. Se suelen cono-
cer como diodos antirretorno.
4.3.1. Métodos de carga de la batería
Hay que empezar diciendo que una batería de acumuladores está compuesta por
un cierto número de elementos que depende de la tensión deseada en la batería, tanto
durante la carga como al final de la descarga, la intensidad exigida en la descarga y el
tiempo de descarga. 
La Figura 4.13 muestra un conjunto de elementos de la firma NIFE, uno de los
cuales aparece a la izquierda. En este elemento se pueden ver las placas con las que
está formado.
Por ejemplo, para obtener una batería con tensión de 110 Vcc es normal montar 86
elementos en serie. La tensión real del sistema suele ser aproximadamente 10 %
mayor durante el periodo de carga y alcanzar 10 % menos de tensión al final de la des-
carga. Por tanto, para esta batería de 110 Vcc serán necesarios durante la carga:
110 × 1,10 = 121 voltios
siendo la tensión aplicada a cada uno de los elementos:
= 1,41 voltios
Al final del ciclo de descarga se tendrá:
110 × 0,90 = 99 voltios
121
�
86
119
CA
CC
CC
CA
BATERIACARGADOR
Red
RECTIFICADOR INVERSOR ESTÁTICO
Vca
Vcc
Figura 4.12
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 119
quedando cada uno de los elementos con:
= 1,15 voltios
Durante el periodo de descarga, y en función de la intensidad demandada, la tensión
va disminuyendo muy lentamente manteniéndose relativamente constante entre 112 y
103 Vcc, o lo que es igual, entre 1,30 y 1,20 Vcc porelemento al inicio y al final respecti-
vamente, cayendo después bruscamente hasta los 99 Vcc considerados en este ejemplo.
Aunque existen otras variantes de los métodos de carga de baterías, aquí se descri-
ben los tres siguientes según se desee:
• Intensidad constante.
• Intensidad decreciente.
• Tensión constante.
Cuando se realiza la carga a intensidad constante, esta se mantiene fija durante
todo el tiempo. Cuando la batería se encuentra cargada aproximadamente a 80 % de
su capacidad se produce una elevación en la tensión de los elementos desde 1,40 a
1,70 V aproximadamente. A partir de este momento se suele temporizar el sistema de
carga para que al cabo de un tiempo se interrumpa la misma. En realidad se interrum-
pe la carga rápida y se pasa a carga en flotación. La Figura 4.14 muestra las curvas de
tensión e intensidad de este tipo de carga.
El método de carga con intensidad decreciente tiene la particularidad de empezar
con intensidad alta cuando la batería se encuentra descargada y va disminuyendo a
medida que se realiza la carga. Es típico este sistema en los cargadores para baterías de
automóviles, donde la intensidad de carga depende de la tensión de salida del cargador
y del estado de agotamiento de la batería. Este sistema no tiene regulación de carga.
Cuando la batería se carga a tensión constante se produce un aumento en la inten-
sidad al principio de la carga, debiendo limitarse a un valor máximo para proteger el
99
�
86
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS120
Figura 4.13
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 120
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
cargador. Durante la primera fase se mantendrá limitada la carga a intensidad máxima
reduciendo la tensión, pero a medida que se va cargando disminuye la intensidad,
momento en que se mantiene constante la tensión. Este sistema es el que se suele uti-
lizar cuando se encuentran conectados en paralelo la batería y los consumidores del
sistema. En operación normal el cargador suministra una tensión equivalente a la de
flotación, por ejemplo, 1,40 V por elemento. La Figura 4.15 muestra las curvas de ten-
sión e intensidad de este tipo de carga.
4.3.2. Carga en flotación
El sistema de flotación es aquel en el que la batería y la carga se encuentran conec-
tadas en paralelo, como muestra la Figura 4.16. 
La tensión de suministro se suele conocer como tensión de flotación, siendo de
valor constante y aproximadamente igual a 1,40 Vcc por elemento. Con este sistema
se mantiene la batería cargada constantemente.
121
V
I
Tiempo
Figura 4.14
V
I
Tiempo
Figura 4.15
Batería
C
ar
ga
s
RECTIFICADOR
+
_
Vca
It Ic
Ib
Figura 4.16
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 121
Cuando se produce una descarga de la batería por faltar el suministro de corriente
alterna en el rectificador, la tensión de carga puede subir aproximadamente a 1,60 Vcc
por elemento para efectuar una carga rápida. Estos valores solo se mencionan como refe-
rencia, porque los reales dependerán del tipo de batería, así como del método de carga.
El rectificador estará calculado para suministrar una intensidad capaz de abastecer
la carga, tanto de la batería como del sistema. En la Figura 4.16 será:
It = Ib + Ic
4.4. Inversor estático
En el sistema de alimentación ininterrumpida, el inversor estático tiene básica-
mente dos funciones:
• Convertir la corriente continua en corriente alterna.
• Hacer que la corriente alterna tenga la menor distorsión.
Para conocer el funcionamiento de forma conceptual, la operación de un inversor
se puede simular por medio de interruptores montados de la forma que muestra la
Figura 4.17.
Los interruptores 1 y 4 actúan simultáneamente, y se conmutan con la pareja for-
mada por 2 y 3, que también actúan simultáneamente. Cuando 2 y 3 están cerrados y
1 y 4 abiertos, la corriente circula en una dirección a través de la carga, mientras que
al abrir 2 y 3 y cerrar 1 y 4 circula la corriente en sentido opuesto, formando una onda
cuadrada como la que aparece en la Figura 4.18.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS122
Tiempo
2 y 3 cerrados
1 y 4 cerrados
Figura 4.18
CARGA Vca
+ Vcc - Vcc
1
3
2
4
Figura 4.17
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 122
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
Sustituyendo los interruptores por tiristores controlados se obtiene el mismo efec-
to. Para convertir la onda cuadrada en senoidal se necesita filtrar la señal, además de
sincronizar los impulsos a administrar a la puerta de cada uno de los tiristores. De for-
ma simple, un inversor estático consta de las etapas siguientes:
• Etapa de potencia.
• Filtro.
• Unidad de control.
La etapa de potencia convierte la corriente continua en corriente alterna. En el
ejemplo simplificado anterior la conversión se realiza desde corriente continua a onda
cuadrada.
El filtro hace que la onda cuadrada pase a onda senoidal, además de eliminar armó-
nicos generados en la etapa de potencia.
Por último, la unidad de control tiene por objeto enviar impulsos a los tiristores
para mantener la tensión y la frecuencia en los valores deseados.
La Figura 4.19 muestra el esquema simplificado de un inversor estático con tiris-
tores configurados en puente. En esta figura, y dado que solo se trata de conceptos, no
se describe el sistema que lleva a cabo la desconexión o estado de bloqueo de los tiris-
tores. Como se ha mencionado anteriormente, cuando un tiristor entra en conducción
no pasa al estado de bloqueo hasta que la tensión de alimentación no pasa por cero,
cosa que no ocurre en este caso al tratarse de corriente continua.
Para llevar a cabo el paso a estado de bloqueo se incorporan al sistema una serie
de componentes que no aparecen en la Figura 4.19, que junto con la unidad de control
123
C1L1
Figura 4.20
+ Vcc - Vcc
T1
T3
T2
T4
 UNIDAD
de CONTROL
Vca
Figura 4.19
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 123
hacen que se sincronicen tensión y frecuencia de salida. Se puede ver que existe gran
similitud entre los componentes de las Figuras 4.19 y 4.17 desde el punto de vista de
funcionamiento.
La tensión de corriente alterna procedente de la unidad de potencia pasa a través
de un filtro que suele estar formado por circuitos osciladores resonantes, bien serie,
paralelo o mezcla de ambos. La Figura 4.20 muestra un filtro simple compuesto por
un filtro resonante paralelo, formado por la bobina y el condensador, sintonizado a la
frecuencia fundamental del inversor.
4.5. Sistema de corriente alterna
Como se ha visto anteriormente, las cargas se alimentan de corriente alterna con la
salida del inversor estático. El inversor estático recibe a su vez la corriente continua
del rectificador cuando la operación se considera normal, es decir, cuando la tensión
de red está presente, o de la batería de acumuladores cuando falta la tensión de red.
Sincronizando la frecuencia de la red con la proporcionada por el inversor se pue-
de colocar un by pass o contactor estático para que, por avería del inversor o sobrecar-
ga del sistema, pase la carga a alimentarse directamente de la red.
4.5.1. By pass estático
El by pass estático suele disponer de un transformador que hace la función de ais-
lamiento y estabilización de la tensión de corriente alterna procedente de la red. 
La Figura 4.21 muestra el «conmutador A» y el transformador que forman el by
pass estático. El conmutador realiza el cambio de selección entre inversor estático y
transformador conectado a la red. Este conmutador, al cambiar o conmutar de una
posición a otra, debe evitar el «paso por cero» porque, en caso contrario, podría des-
energizar las cargas, con lo que se perdería la seguridad de funcionamiento que ofrece
el SAI. Por tanto, la conmutación ha de hacerse sin interrupción de la energía sumi-
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS124
CA
CC
CC
CA
BATERIACARGADOR
Red 1
CARGAS
Red 2
By pass manual
C.A.
C.A.
RECTIFICADOR INVERSOR ESTÁTICO
21
1
2
A B
Figura 4.21
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 124
SISTEMADE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
nistrada, para lo cual es necesario que exista sincronización entre las frecuencias de la
red y del inversor estático. Esto es lo que se podría denominar sistema de conmuta-
ción «en caliente», para diferenciarlo del sistema de conmutación «en frío».
Con el sistema de conmutación en frío, las cargas se alimentan directamente de la
red o del transformador, y solo cuando desaparece la tensión de red pasa a alimentar
el inversor, el cual está normalmente en reserva. Este sistema no es utilizable en servi-
cios críticos al existir paso por cero en la alimentación a las cargas.
Por último, en la Figura 4.21 aparece un segundo conmutador, denominado B, que
hace la función de by pass manual. Pasándolo a la posición 2 se desconecta totalmen-
te el SAI, quedando solo la alimentación procedente de red. Este by pass se utiliza
exclusivamente para tareas de mantenimiento.
4.5.2. Grupo generador
Al hablar de la batería de acumuladores se ha mencionado que suele ser habitual
disponer de una autonomía de 30 minutos a plena carga del sistema. Esto significa
que si la ausencia de tensión de red es superior a este tiempo se quedarán sin alimen-
tación las cargas.
Con el fin de eliminar esta situación de emergencia se suele instalar, en algunos
casos, un grupo generador de corriente alterna con motor de gasóleo, bien con arran-
que automático o simplemente manual. Ya se ha mencionado que existe una autono-
mía de 30 minutos con la batería, por lo que se dispone de este periodo de tiempo para
efectuar el arranque del generador. Lógicamente, para efectuar el arranque manual es
necesario que exista personal que pueda llevarlo a cabo en el periodo de tiempo de
autonomía de las baterías. En caso de que no exista personal debe efectuarse el arran-
que automático.
La Figura 4.22 muestra un diagrama de bloques en el que aparece un sistema de
conmutación, sobre todo para proteger el retorno a la posición de red. En muchas oca-
siones, cuando se restablece la tensión de red suele ocurrir que vuelve a caer debido a
la punta de arranque, y se necesitan varios intentos para que se restablezca de forma
estable la alimentación.
Incluyendo un temporizador en el sistema de conmutación, hasta que no transcurra
un tiempo determinado no se llevará a cabo el cambio a la red. De esta forma se evita
el que pudiera estar basculando el conmutador en los primeros momentos de recupe-
ración de la tensión de red.
125
CA
CC
 GRUPO
GENERADOR
 SISTEMA DE
CONMUTACIÓN
TEMPORIZADO
Red CA AL INVERSOR
Figura 4.22
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 125
4.6. Sistema redundante
En muchas ocasiones se montan varios sistemas de alimentación ininterrumpida
para dar mayor seguridad de funcionamiento al conjunto, y que las cargas permanez-
can alimentadas de forma permanente. Suponiendo que se dispone de dos SAI, se pue-
de recurrir a realizar alguna de las siguientes combinaciones:
• Conexión en paralelo.
• Conexión en reserva.
En muchos casos es conveniente que cada una de las líneas que alimentan a los SAI
provengan de distintas redes de distribución. De esta manera la probabilidad de fallo es
menor, puesto que es más difícil que fallen simultáneamente ambas redes de distribución.
4.6.1. Conexión en paralelo
La Figura 4.23 muestra un diagrama de bloques del acoplamiento de dos SAI en
paralelo. Este sistema tiene la particularidad de que en operación normal, cada uno de
ellos soporta la mitad de las cargas. En otras palabras, ambos se encuentran activos y
en caso de fallo de uno, el otro asume el consumo total.
Al producirse una avería en alguno de los inversores se realiza su desconexión por
medio del disyuntor automático que lo conecta a las cargas. Esta forma de operar
implica que cada uno de los SAI ha de tener capacidad suficiente para alimentar las
cargas de forma individual.
4.6.2. Conexión en reserva
La Figura 4.24 muestra otro diagrama de bloques con la conexión en la que uno de
los SAI permanece en reserva, o standby. Una diferencia con el sistema anterior es
que existe un conmutador estático para seleccionar uno de los SAI como titular y el
otro como reserva, lo que se denomina Máster y Esclavo. Ante fallo del titular por
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS126
CA
CC
CC
CA
BATERIA
Red 1 CA
CARGAS
CA
CC
CC
CA
BATERIA
Red 2 CA
1 2
Figura 4.23
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 126
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA
alguna causa, el reserva pasará a alimentar las cargas. Igual que en el caso de cone-
xión en paralelo, aquí también ha de ser igual la potencia suministrada por ambos SAI.
Una particularidad que suele tener esta configuración es que los SAI no son total-
mente independientes sino que existe una parte común a ambos. Esta parte es el con-
mutador estático que se encuentra situado en el considerado Máster. Como consecuen-
cia, aunque la probabilidad de fallo sea muy baja, puede ocurrir un fallo en el sistema
de conmutación que inhiba la transferencia de uno a otro.
127
CA
CC
CC
CA
BATERIA
Red 1 CA
CARGAS
CA
CC
CC
CA
BATERIA
Red 2 CA
Conmutador
 estático
Conmutación
por fallo de
un inversor
Conmutación
por agotamiento
de baterías
Figura 4.24
CA
CC
CC
CA
BATERIA
CA
CC
CC
CA
BATERIA
Red 1 CA
Red 2 CA
CARGAS
Conmutador
 estático
 Sistema de
conmutación
By pass manual
 Grupo
generador
Figura 4.25
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 127
En la Figura 4.24 también aparece otro sistema de conmutación automático para
que, al detectar baja tensión por agotamiento de la batería principal por estar alimen-
tando al inversor titular, la del SAI que está en reserva pase a alimentar al inversor
titular. De esta manera se consigue una autonomía de 1 hora en lugar de 30 minutos.
Si además existe instalado generador auxiliar, se dispone de 1 hora para llevar a cabo
su arranque antes de dejar sin alimentación las cargas.
Como resumen de todo lo visto, la Figura 4.25 muestra un sistema de alimenta-
ción incluyendo todos los bloques mencionados en los apartados anteriores. Como
puede verse, la posibilidad de fallo de alimentación a las cargas es bastante remota,
aunque no imposible. Esta configuración podría ser la que aparece en los armarios de
la Figura 4.26, en donde se tienen todos los elementos de un sistema de alimentación
ininterrumpida redundante de la firma NIFE.
Bibliografía
Instrument Engineers Handbook
Bela G. Liptak
Chilton Book Company
Power Supply Handbook
NIFE España S.A.
Catálogos técnicos de:
Merlín Guerin
Siemens
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS128
Figura 4.26
04 capitulo 04 ok 14/9/06 19:56 Página 128
Protección en atmósferas peligrosas
5.1. Consideraciones generales
5.1.1. Objeto
El objeto de este capítulo es dar información general acerca de los conceptos y normas
utilizadas en los circuitos diseñados con distintos tipos de seguridad relacionada con las
unidades de producción, personas o medio ambiente. Se trata por tanto de una guía de uti-
lización en la que existe una recopilación de datos y conceptos de uso frecuente en instala-
ciones diseñadas bajo criterios de protección de distinta índole, entre los que predomina la
técnica de seguridad intrínseca por ser la más utilizada en el campo de instrumentación.
Los distintos conceptos han sido extraídos de publicaciones realizadas por diver-
sos fabricantes, las cuales deben ser consultadas, así como las disposiciones legales
vigentes para aclaraciones puntuales, sobre todo en lo referente a cables y caminos de
cables. En cualquier caso, la última responsabilidad en lo referente a seguridad corres-
ponde al usuario final, por lo que en caso de duda se debe consultar a un experto en el
problema particular que se presente.
Por último hay que mencionar que los primeros apartados de este capítulo tratan
sobre los métodos de protección, mientras que los últimos apartados tratan de la direc-
tiva ATEX, de aplicación en los países pertenecientes a la Unión Europea.
5.1.2. Control en atmósferas potencialmenteexplosivas
En las refinerías, industria petroquímica, producción y distribución de gas y otros
procesos, es inevitable que surjan de vez en cuando atmósferas potencialmente explo-
sivas, debido a fugas del fluido de proceso. Para hacer seguras tanto las medidas como
el control bajo estas condiciones, se requiere que los arcos eléctricos y chispas, causa-
dos por fallos o mal uso de la instrumentación, sean separados de la atmósfera explo-
siva, o hacer que sean tan pequeños que no puedan causar su ignición.
Las técnicas de segregación o separación se han utilizado y siguen utilizándose
ampliamente, por ejemplo flameproof, armarios robustos, presurización, etc. En la
5
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 129
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS130
actualidad existe una tendencia general hacia el uso de técnicas que provean seguri-
dad limitando la energía y la temperatura superficial. La más importante de ellas es la
seguridad intrínseca.
Antes de continuar hay que recordar que una zona o localización peligrosa es aquella
en la que puede existir peligro de incendio o explosión debido a la presencia de gases o
vapores inflamables, líquidos inflamables, polvo combustible o cualquier tipo de fibra en
suspensión que pueda incendiarse. Por eliminación, cualquier zona donde no se presen-
ten circunstancias como las descritas será catalogada como zona o localización segura.
5.1.3. Control con seguridad intrínseca
Aunque en apartados que se verán posteriormente se trata con más detalle cada
uno de los conceptos, en este apartado se puede decir que la seguridad intrínseca se
obtiene por diversos modos, como son: utilizando componentes electrónicos limitado-
res de energía, por ejemplo diodos a través de bobinas y resistencias en serie con con-
densadores, conductores separados por paredes, circuitos con bajos voltajes, elemen-
tos encapsulados con resina y otras prácticas de ingeniería.
Las certificaciones CENELEC se aprueban bajo tres conceptos:
1) Estándar de seguridad. Define el número de componentes u otros fallos que
pueden concurrir sin peligro de ignición.
2) Grupo de aparatos o gases. Define la máxima energía de ignición producida
bajo condiciones de fallo, en términos de grupos de gases a los que la chispa no
será capaz de inflamar.
3) Temperatura. Define la máxima temperatura superficial del instrumento produci-
da bajo condiciones de fallo, partiendo de una temperatura ambiente de 40 °C.
En base a estos conceptos, cualquier certificación estará etiquetada con un código
similar al que se menciona a continuación. Además debe aparecer el marcado ATEX
que se verá más adelante.
EEx ia IIC T5
Estándar Grupo de aparatos
TemperaturaNormalizaciónEuropea
Un equipo situado en área peligrosa será seguro cuando esté certificado para la
zona adecuada y grupo de gases, teniendo en cuenta además que su clasificación de
temperatura esté por debajo de la temperatura de ignición del gas.
5.2. Seguridad intrínseca
La seguridad intrínseca es una técnica por la que se asegura que la cantidad de
energía disponible en un circuito es demasiado baja para inflamar cualquier mezcla de
gas y aire que sea fácilmente inflamable. Los mecanismos de ignición considerados
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 130
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
son los arcos o chispas eléctricas, y la temperatura producida por el calor superficial.
El diseño de los circuitos y equipos intenta que ambos parámetros no produzcan inse-
guridad en condiciones normales de operación y durante las condiciones probables de
fallo.
Deben considerarse ambos factores de riesgo, puesto que no existe necesariamente
correlación entre ellos. Por ejemplo, el hidrógeno es fácilmente inflamable por una
chispa eléctrica, mientras que no puede ser fácilmente inflamable por una temperatura
superficial alta.
Entre los fallos considerados está la posibilidad de que la potencia de alimentación
desde la zona segura no sea aceptable. Por esta razón, la seguridad intrínseca es esen-
cialmente un sistema en el que, conceptualmente, deben ser tenidos en cuenta los apa-
ratos en zona peligrosa, los aparatos en zona segura y la combinación de ambos.
No existe una definición oficial de seguridad intrínseca. El documento EN-50020
de CENELEC define un circuito intrínsecamente seguro como:
Un circuito en el que ni las chispas ni los efectos térmicos producidos en las condiciones de
prueba prescritas en esta Norma (la cual incluye operación normal y condiciones de fallo
especificadas) es capaz de producir la inflamación de una mezcla explosiva dada.
Existen dos normas o estándares aplicables a la seguridad intrínseca:
• «ia», donde la seguridad se mantiene hasta con dos fallos producidos. Es la más
restrictiva.
• «ib», donde la seguridad se mantiene cuando solo existe un fallo.
Un equipo certificado «ib» es aceptable generalmente en todas las zonas excepto
la Zona 0, mientras que un equipo «ia» es adecuado para utilizarlo en cualquier zona.
La seguridad intrínseca es, para todos los usos prácticos, la única técnica de segu-
ridad aceptable en Zona 0 (peligrosa continuamente) y la técnica preferida en Zona 1
(peligrosa en operación normal). Esta técnica se utiliza frecuentemente en Zona 2
(raramente peligrosa) por la facilidad de resolver problemas de mantenimiento en
vivo, documentación y entrenamiento del personal.
La seguridad intrínseca es una técnica de baja potencia que la hace particularmen-
te adecuada para instrumentación industrial. Las principales ventajas son: bajo coste,
instalaciones más flexibles y la posibilidad de efectuar mantenimiento y calibración
en vivo. Sus inconvenientes son: baja potencia disponible y la reputación que tiene
relativa a la dificultad en su entendimiento.
En general, la seguridad intrínseca es la técnica más adecuada cuando los requeri-
mientos eléctricos son menores de 30 V y 50 mA. Si la potencia requerida excede de 
30 W, o el voltaje es mayor de 50 V, o la intensidad de corriente es mayor de 250 mA,
debe utilizarse alguna otra técnica.
Existen pocas dudas de que esta técnica es la única que debe ser adoptada siempre
que sea posible. El hecho de hacer uso de niveles de baja energía significa que es mucho
más segura que cualquier otra técnica. Las operaciones de mantenimiento y calibración
se pueden realizar sin necesidad de equipos aislados eléctricamente. Permite un cablea-
do normal, y los accesorios tales como cajas de conexión pueden ser construidos sola-
mente desde el punto de vista de operación, sin requerimientos especiales.
131
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 131
Originalmente, los equipos para ser designados como de seguridad intrínseca
necesitaban la certificación del lazo completo, con los problemas que ocasiona el
modificar o cambiar los equipos situados en zona segura. La utilización de barreras
Zener ha eliminado la necesidad de certificar los elementos situados en zona segura,
delimitando la consideración de los problemas a los equipos situados en zona peligro-
sa, así como al cableado.
Cuando se trata de equipos simples, tal como anunciadores de alarmas, puede ser
más económico certificar el sistema completo, aunque en general las barreras Zener
dan mayor flexibilidad y permiten utilizar componentes simples, tales como interrup-
tores, resistencias, termopares o diodos sin ninguna certificación.
La limitación fundamental de la técnica de seguridad intrínseca está relacionada
con su bajo nivel de energía. Solo se pueden utilizar circuitos de baja potencia en la
zona peligrosa. Esto es suficiente para la mayoría de los circuitos de entrada de instru-
mentos, como transmisores, convertidores, etc., pero no es suficiente para la mayoría
de los equipos eléctricos, cuyo consumo de energía es mayor.
5.3. Principales organizaciones en seguridad
Entre la gran cantidad de organizaciones que existen se mencionan algunas de las
que afectan directamente a nuestro entorno dentro de Europa.
IEC. International Electrotechnical Commission
Es el organismo internacionaloficial permanente para la normalización electrotéc-
nica del comercio internacional. Fue fundado en el año 1906.
El IEC está afiliado al Organismo Internacional de Normalización (ISO), aunque
tiene autonomía técnica y económica.
Las diferentes secciones de la publicación 79 de este organismo contienen las nor-
mas relevantes en este campo.
CENELEC. Comité Europeo para Normalización Electrotécnica
Este comité intenta armonizar la normalización eléctrica de sus países miembros,
entre los que se encuentra España. La idea general es utilizar las recomendaciones
IEC, con los mínimos cambios necesarios para eliminar posibles ambigüedades o defi-
nir más exactamente los requerimientos que son considerados demasiado generales en
las normas IEC.
La normalización CENELEC no difiere en principio de la IEC, aunque su diferen-
cia en algunos detalles hace que sea preferida en los países europeos.
BASEEFA. British Approvals Service for Electrical Equipment in Flammable
Atmospheres
Es el organismo oficial en Gran Bretaña para probar, certificar y aprobar los equi-
pos para su uso en atmósferas potencialmente explosivas en industrias de superficie,
de acuerdo a la normalización CENELEC.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS132
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 132
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
CESI. Centro Electtrotecnico Sperimentale Italiano
Es el organismo italiano aprobado por la Comunidad Económica Europea para
extender certificaciones según normalización CENELEC.
LCIE. Laboratoire Central des Industries Electriques
Es el organismo francés para industrias de superficie aprobado por la Comunidad
Económica Europea para extender certificaciones según normalización CENELEC.
LOM. Laboratorio Oficial Madariaga
Es el organismo español aprobado por la Comunidad Económica Europea para
extender certificaciones según normalización CENELEC.
PTB. Physikalisch Technische Bundesanstalt
Es el organismo oficial en Alemania para certificar el uso de equipos en atmósfe-
ras potencialmente explosivas.
En general esta organización fija las normas a seguir por muchos países de Europa.
En algunos casos este organismo es el más restrictivo a la hora de extender las certifi-
caciones.
5.4. Clasificación de áreas peligrosas
Con objeto de determinar el alcance de las precauciones requeridas para evitar la
ignición de atmósferas potencialmente explosivas, los códigos utilizados por los dis-
tintos fabricantes subdividen las áreas peligrosas en zonas.
Según la norma IEC 60079-10, las áreas peligrosas se dividen en zonas de la for-
ma siguiente:
• Zona 0. En la que una mezcla explosiva de gas y aire está presente de forma
continua, durante largos periodos de tiempo o frecuentemente.
• Nota. El vapor contenido en el espacio de un recipiente cerrado de proceso o
tanque de almacenamiento es un ejemplo de esta zona, aunque a veces pueda
superar el límite superior de explosividad.
• Zona 1. En la que una mezcla explosiva de gas y aire es probable que se encuen-
tre en operación normal.
• Zona 2. En la que una mezcla explosiva de gas y aire no es probable que aparezca
en operación normal, y si lo hace, solamente estará por un periodo de tiempo corto.
Por exclusión, cualquier localización de la planta que no sea área peligrosa será
zona segura. Muchas autoridades prefieren el término de «área no peligrosa» por razo-
nes legales o de semántica.
Aunque no existe un acuerdo unánime, se suele considerar por algunos expertos
que «un área en la que un gas peligroso puede estar presente entre 10 y 1.000 horas al
133
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 133
año debe ser clasificada como zona 1». A partir de estos dos parámetros se deducen
las otras dos zonas.
Los equipos antideflagrantes no están permitidos en áreas clasificadas como Zona
0. Por tanto no pueden ser utilizados en atmósferas con esta clasificación debido a las
ranuras tan extremadamente estrechas que serían necesarias en las cajas envolventes.
5.5. Agrupamiento de aparatos y gases
El agrupamiento internacional realizado a los gases y aparatos asigna el número
romano «I» a las actividades de minería bajo tierra, donde el riesgo predominante es
el metano y el polvo de carbón. Históricamente a esta industria se debe la razón prin-
cipal para iniciar los trabajos acerca de equipos en atmósferas explosivas.
Todos los equipos instalados en industrias de superficie están marcados con el
número romano «II». Los grupos de gases se subdividen en:
• IIA. Propano.
• IIB. Etileno.
• IIC. Hidrógeno, Acetileno.
El gas que aparece en la descripción es el que da nombre al grupo, estando clasifi-
cados todos los gases en la norma CENELEC EN-50014.
Según el tipo de circuito existen tres curvas para cada gas:
• Para circuito resistivo: corriente mínima de ignición en función de la tensión.
• Para circuitos inductivos: corriente mínima de ignición en función de la inductancia.
• Para circuitos capacitivos: Tensión mínima de ignición en función de la capacitancia.
La Figura 5.1 muestra las curvas CENELEC para circuitos resistivos en gases de
los grupos I, IIA, IIB y IIC. Las curvas están realizadas para equipos tanto si contie-
nen como si no contienen cadmio, cinc, magnesio o aluminio, ya que las superficies
que contengan estos materiales favorecen la ignición. En la práctica todos los certifi-
cados se emiten para el peor de los casos, es decir, con estos metales presentes.
5.6. Clasificación de temperaturas
Una mezcla de gases y aire puede ser inflamada por contacto con calor superficial.
Consecuentemente todos los aparatos eléctricos utilizados en atmósferas peligrosas
deben estar clasificados de acuerdo a su máxima temperatura superficial.
Todas las clasificaciones de temperatura están evaluadas con respecto a una tem-
peratura ambiente máxima de 40 °C. Si los equipos se utilizan en lugares con tempe-
ratura mayor que esta, su clasificación debe ser evaluada de nuevo. Se debe tener espe-
cial cuidado al definir la temperatura ambiente, porque puede estar influenciada por el
proceso. Como ejemplo se puede hacer referencia a un transmisor conectado por
medio de una brida a un equipo de proceso. La brida tendrá una temperatura próxima
a la de proceso.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS134
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 134
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS 135
Figura 5.1
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 135
Es importante hacer notar que no es lo mismo punto de inflamación (Flash Point)
que temperatura de ignición. Temperatura de flash es la más baja a la cual un líquido
desprende suficiente vapor para que se produzca la ignición instantánea cuando dicho
vapor se pone en contacto con una chispa eléctrica o llama. Esta temperatura es apre-
ciablemente menor que la de ignición, la cual corresponde a aquella a la que se des-
prenden vapores para mantener combustión continua al ponerse en contacto con una
superficie caliente. Por ejemplo el keroseno tiene un Flash Point de 38 °C y una tem-
peratura de ignición de 210 °C, por lo que su clasificación es «T3».
Recordemos que la temperatura de clasificación siempre debe estar por debajo de
la correspondiente a la ignición. La clasificación de temperaturas aparece en la tabla
siguiente.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS136
Máxima temperatura superficial
Clase °C Clase °C
T1 450 T4 135
T2 300 T5 100
T3 200 T6 85
En EE UU la normativa NEC-500 subdivide esta clasificación en apartados aña-
diéndole las letras A, B, C, etc. Ateniéndose a la normativa CENELEC los valores son
los que aparecen en la tabla anterior.
5.7. Métodos de protección
El término genérico para todos los métodos de protección utilizados en Europa es
Explosion Proof. El símbolo «Ex», derivado de Explosionsgeschutzten se utiliza para
todas las técnicas.
La norma CENELEC EN-50014 («Requerimientos Generales»), en principio
engloba los aspectos que son comunes a todas las técnicas, pero en la práctica este tér-
mino se utiliza para mencionar las técnicas antideflagrantesde alta potencia y las de
seguridad aumentada.
En América se utiliza el término Explosion Proof para el mismo concepto que en
Europa se denomina Flame Proof. En cualquier artículo sobre este tema hay que tener
cuidado para establecer su correcta interpretación.
La tabla de la página siguiente lista los métodos de protección más usuales, con la
indicación de los símbolos y normas IEC, CENELEC y UNE.
5.7.1. (Ex o) Inmersión en aceite
Es un tipo de protección en el que los aparatos eléctricos o parte de ellos están
sumergidos en aceite. De esta manera, cualquier atmósfera explosiva que esté por
encima del aceite, o fuera de la caja envolvente, no puede ser inflamada.
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 136
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
La técnica de inmersión en aceite se utiliza para ciertos interruptores, transforma-
dores y resistencias de arranque de máquinas.
5.7.2. (Ex p) Presurización
Es un tipo de protección por el que se evita que la atmósfera que rodea a la caja
envolvente de un aparato penetre en el interior de la misma, manteniendo un gas de
protección inerte u otro adecuado en su interior a una presión superior a la que rodea
esa caja.
La sobrepresión se puede mantener con o sin circulación continua de gas de pro-
tección. De esta forma los gases peligrosos y las posibles fuentes de ignición se sepa-
ran, en el primer caso colocando una barrera de presión y en el segundo desplazando
el gas peligroso.
La adecuación del sistema de enclavamiento, el tamaño y tipo de la caja envolven-
te utilizada, etc., son, sin embargo, los factores determinantes en la evaluación del gra-
do de seguridad conseguido.
Esta técnica se utiliza en equipos de análisis y otras áreas específicas donde el uso
de otras técnicas sería imposible, por ejemplo en cabinas de control situadas en zona
peligrosa.
137
SÍMBOLO NORMA
TÉCNICA
Ex IEC CENELEC UNE
Requerimientos generales – 60 079-0 EN-50014 20318
Inmersión en aceite «o» 60 079-6 EN-50015 20326
Presurización (purga) «p» 60 079-2 EN-50016 20319
Relleno de polvo «q» 60 079-5 EN-50017 20321
Envolventes flameproof «d» 60 079-1 EN-50018 20320
Seguridad aumentada «e» 60 079-7 EN-50019 20328
Seguridad intrínseca «i» 60 079-3 EN-50020 20317
Sistemas de seguridad intrínseca «j» – EN-50039 –
Encapsulación «m» 60 079-18 EN-50028 –
Protección tipo «N» «n» 60 079-15 EN-50021 –
Protección especial «s» – – –
Método prueba temp. ignición – 60 079-4 – –
Clasific. máx. temp. superficial – 60 079-8 – –
Requerimientos de marcado – 60 079-9 – –
Clasificación áreas peligrosas – 60 079-10 – –
Construcción aparatos S.I. – 60 079-11 – –
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 137
5.7.3. (Ex q) Relleno de polvo
Esta técnica es similar a la inmersión en aceite. La norma CENELEC la define
como:
Un tipo de protección que puede ser obtenida rellenando la caja envolvente de un material
finamente granulado, para que en las condiciones de servicio cualquier arco ocurrido den-
tro de la caja de un aparato no inflame ninguna atmósfera explosiva externa. La ignición
no será causada ni por llama ni por excesiva temperatura superficial de la caja.
Esta técnica se denominó relleno de arena. La letra «q» está derivada de quartz.
Se utiliza para transformadores, condensadores, etc. No tiene relevancia en instrumen-
tación industrial.
5.7.4. (Ex d) Envolventes a prueba de explosión (Flameproof)
Es una técnica de protección en la que las partes que pueden inflamar una atmós-
fera explosiva se colocan dentro de una caja envolvente que pueda resistir la presión
desarrollada durante la explosión interna de esa mezcla explosiva, evitando la transmi-
sión de la explosión a la atmósfera peligrosa que rodea la caja.
Los sistemas eléctricos que cumplen con los requerimientos de protección «d»,
están diseñados y construidos de tal forma que no son capaces, en condiciones norma-
les de operación, de inflamar la atmósfera explosiva que los rodea. Se obtiene de la
forma siguiente:
• a) Rodeando el aparato o sistema eléctrico con una envolvente que incluya cor-
tallamas si es necesario, de suficientes dimensiones e integridad de fabricación
para contener la explosión interna sin sufrir daños y sin comunicar la llama al
gas o vapor inflamable externo para el que está diseñado, a través de cualquier
junta o apertura estructural de la envolvente.
• b) Limitando la temperatura máxima superficial externa del equipo a un valor
inferior a la temperatura de ignición del gas o vapor que tiene riesgo de explo-
sión y que se puede encontrar presente en la zona.
La principal ventaja de utilizar equipos a prueba de explosión está en que es una
técnica fácil de entender por la mayoría de los usuarios, los cuales suelen estar ade-
más familiarizados con el método de instalación.
La desventaja está en su restricción para ser utilizada solo en zonas 1 y 2 y gene-
ralmente a las más bajas clasificaciones de gas. No puede por tanto ser utilizada en
zona 0. Los costes de instalación son más altos que los utilizados en sistemas
intrínsecamente seguros, al mismo tiempo que aumentan los de mantenimiento y
calibración.
Esta técnica se utiliza para instrumentos cuyo alto nivel de potencia no puede ser
eliminado, por ejemplo equipos de control locales, transformadores, motores, etc.
Anteriormente se ha mencionado que los límites para seguridad intrínseca son 30 V y
50 mA.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS138
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 138
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
5.7.5. (Ex e) Seguridad aumentada
Esta técnica obtiene la seguridad aplicando medidas adicionales al equipo para que
incremente la protección ante la posibilidad de excesiva temperatura y la concurrencia de
arcos o chispas. En la práctica esto se traduce en una construcción robusta, amplios espa-
cios entre partes de polaridad opuesta, aislamiento extra y buena protección mecánica.
Este método de protección tiene aceptación para su uso en zona 1, para la cual el
nivel de protección ofrecido por la carcasa del equipo para la entrada de polvo y
humedad es al menos hasta requerimientos IP-54.
Donde los equipos están expuestos a condiciones ambientales adversas, es preferi-
ble la protección ofrecida por algunos equipos «Ex e» que la de otros «Ex d», los cua-
les no están frecuentemente diseñados a prueba de condiciones ambientales weather
proof, por disponer de cierre metal-metal entre tapa y cuerpo de la envolvente.
Ejemplos de utilización son las cajas de conexión para instalar componentes,
motores, conexiones de alumbrado o similar, etc.
5.7.6. (Ex i) Seguridad intrínseca
Puesto que ya se ha tratado anteriormente, aquí solo se va a reseñar el concepto de
seguridad intrínseca. Su campo de utilización fundamental es la instrumentación, sen-
sores, sistema de comunicaciones, etc.
Es una técnica de protección por la que los aparatos que contienen circuitos diseñados
bajo este concepto son incapaces de ocasionar la explosión de la atmósfera que los rodea.
En la normalización CENELEC, los instrumentos intrínsecamente seguros se divi-
den en dos categorías:
• «ia», donde la seguridad se mantiene hasta con dos fallos producidos. Es la más
restrictiva.
• «ib», donde la seguridad se mantiene con un fallo producido.
Un equipo certificado «ib» es aceptable generalmente en todas las zonas excepto
la Zona 0, mientras que un equipo «ia» es adecuado para utilizarlo en todas las zonas.
5.7.7. (Ex n) Protección tipo «N»
Es una técnica de protección que se utiliza en el Reino Unido, cuyo código de
prácticas establece:
Los aparatos eléctricos que están certificados o evaluados para estar de acuerdo con los
requerimientos del tipo de protección «N» están diseñados y construidos para que no sean
capaces, bajo condiciones normales de operación, de inflamar la atmósfera explosiva que
los rodea y que ningún fallo capaz de ocasionar la ignición sea probable que ocurra.
Solo es válida su utilización en Zona 2, por lo que esta característica, unida a las
dificultades de efectuar mantenimientoen vivo, hace que tenga poca utilización en
instrumentación.
139
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 139
5.7.8. (Ex m) Encapsulación
No está claro cuál es su área de aplicación ni cómo interfiere con la seguridad
intrínseca. La siguiente cita del documento original de solicitud de aprobación a
CENELEC resume su intención.
La técnica de encapsulación ha sido separada del tipo de protección especial «s» que se
utiliza normalmente en Alemania, porque la encapsulación es muy a menudo tratada den-
tro de dicha protección especial, y nosotros somos de la opinión de que debe ser estableci-
do un tipo particular de protección para esta técnica. El tipo de protección especial perma-
nece para otras tecnologías.
Se considera este documento como una propuesta nacional para este tipo de pro-
tección. La identificación «m» se ha elegido partiendo del término inglés moulding.
Tiene utilización entre otras cosas para válvulas solenoide, indicadores visuales y
pequeñas lámparas.
5.7.9. (Ex s) Protección especial
Esta técnica fue iniciada en Alemania para hacer admisibles equipos a los que las
técnicas reconocidas no podían ser aplicadas para ser certificados.
A menudo se confunden los puntos en los que los equipos pueden ser «Ex s» o
«Ex ib». En general el grado de protección obtenido es aceptable para Zona 1.
5.7.10. Combinación de técnicas
Existen ocasiones en las que se utilizan combinaciones de técnicas para obtener la
mejor solución a un problema.
Es posible crear combinaciones bastante complejas tales como cajas flameproof con
terminales de seguridad aumentada controlando los enclavamientos de una cabina presu-
rizada. Tal sistema podría presumiblemente ser identificado o marcado como «Ex ped».
En la práctica algunos medidores de caudal magnéticos con sondas de seguridad
intrínseca y bobinas de seguridad aumentada son un caso típico de diseño utilizando
adecuadamente ambas técnicas.
Los sistemas con técnicas mezcladas no presentan ninguna dificultad si sus ins-
trucciones de instalación son adecuadas.
5.7.11. Elección del equipo
La elección del tipo de protección depende frecuentemente de la disponibilidad de
equipos y la preferencia del usuario. Un posible procedimiento para la elección es el
siguiente:
• Si el área peligrosa está clasificada Zona 0 solo deben utilizarse equipos intrín-
secamente seguros.
• Si el área peligrosa está clasificada Zona 1 deben utilizarse equipos intrínseca-
mente seguros si es posible. Si la potencia requerida es demasiado alta, la elec-
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS140
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 140
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
ción estará entre flameproof o seguridad aumentada. La decisión puede ser sim-
plemente económica.
• Si el área peligrosa está clasificada Zona 2 la elección es muy amplia. En cualquier
caso se recomienda utilizar técnica de baja energía siempre que sea aceptable.
A modo de resumen la tabla siguiente muestra las distintas posibilidades de utili-
zar equipos en áreas peligrosas dependiendo de la certificación.
141
Área Certificación Ex
peligrosa o p q d e ia ib n m s
Zona 0 – – – – – X – – – –
Zona 1 – X – X X X X – X X
Zona 2 X X X X X X X X X X
5.7.12. Marcado o etiquetado de los instrumentos
Para resumir las reglas de clasificación, todos los equipos de seguridad se diseñan
y certifican para cumplir tres criterios, dos de los cuales son comunes a todas las téc-
nicas. Estos criterios son:
• Clasificación de área.
• Clasificación de gases (específico de S.I.).
• Clasificación de temperatura.
Con estos criterios son marcados adecuadamente los instrumentos desde el punto
de vista de certificación. Más adelante se incluirá el marcado ATEX. De esta manera,
un equipo certificado para ser instalado en área peligrosa de alto riesgo, donde pueden
estar presentes gases del grupo del hidrógeno y apropiado para gases con una tempe-
ratura de ignición inferior a 135 °C, debe ser marcado según CENELEC como:
EEx ia IIC T4
El mismo tipo de equipo certificado para ser instalado únicamente en área segura,
donde la clasificación de temperatura no es relevante, pero adecuado para ser conecta-
do a equipos situados en área peligrosa de alto riesgo, será marcado como:
[EEx ia] IIC
La notación EEx en ambos casos significa que se trata de normalización europea.
El corchete indica que el equipo debe situarse en área segura o, lo que es igual, área
no peligrosa.
5.8. Sistema de protección «ip-» en cajas envolventes
Se suele denominar protección contra polvo y agua y su codificación está recogida en
la norma CENELEC IEC 60529. Esta protección no debe confundirse con las técnicas
contra explosión, puesto que solo está diseñada para indicar el grado de protección ante:
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 141
• Contacto y entrada de cuerpos sólidos extraños.
• Entrada de líquido.
Cuando las instalaciones son abiertas, es recomendable utilizar protección adicio-
nal contra los efectos del sol y la lluvia, instalando un cobertizo cuando la construc-
ción de la caja envolvente no sea suficiente.
El significado de los dos números asociados al tipo de protección Ingress
Protection es el siguiente:
Primer número (Cuerpos extraños sólidos)
0 Sin protección.
1 Protección contra contacto accidental de la mano, u otro elemento, con las par-
tes móviles situadas dentro de la envolvente. Sin protección contra acceso deli-
berado a cualquiera de sus componentes.
Protección contra entrada de cuerpos sólidos extraños mayores de 50 mm de
diámetro.
2 Protección contra contacto de los dedos con las partes móviles situadas dentro
de la envolvente.
Protección contra entrada de cuerpos extraños sólidos mayores de 12 mm de
diámetro.
3 Protección contra contacto con las partes móviles, situadas dentro de la envol-
vente, con herramientas, alambres u objetos de grosor mayor de 2,5 mm.
Protección contra entrada de cuerpos extraños sólidos mayores de 2,5 mm de
diámetro.
4 Protección contra contacto con las partes móviles, situadas dentro de la envol-
vente, con herramientas, alambres u objetos de grosor mayor de 1 mm.
Protección contra entrada de cuerpos extraños sólidos mayores de 1 mm de diá-
metro.
5 Protección completa contra contacto con las partes móviles, situadas dentro de
la envolvente.
La entrada de polvo no está totalmente eliminada, pero no puede entrar en can-
tidad suficiente para interferir la operación del equipo.
6 Protección completa contra contacto con las partes móviles, situadas dentro de
la envolvente.
Protección completa contra entrada de polvo.
Segundo número (Entrada de líquidos)
0 Sin protección.
1 Protección contra gotas de condensado de agua.
Al caer gotas de condensado de agua sobre la envolvente no causarán efectos
perjudiciales.
2 Protección contra gotas de líquido.
Al caer gotas de líquido no causarán efectos perjudiciales si la envolvente está
inclinada un ángulo inferior a 15° con respecto a la vertical.
3 Protección contra la lluvia.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS142
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 142
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
Al caer gotas de lluvia no causarán efectos perjudiciales si la envolvente está
inclinada un ángulo inferior a 60° con respecto a la vertical.
4 Protección contra salpicaduras.
Las salpicaduras de líquido no causarán efectos perjudiciales desde ninguna
dirección.
5 Protección contra mangueras de agua.
El agua proyectada por una manguera desde cualquier dirección no causará
efectos perjudiciales.
6 Protección contra agua en cubiertas de barcos.
7 Protección contra inmersión en agua a poca altura.
8 Protección contra inmersión en agua a altura indefinida.
La protección más alta que se suele utilizar para los instrumentos es la IP-65.
Lo que se conoce habitualmente como a prueba de intemperie (weather proof) se
puede asociar a la protección IP-54.
5.9. Aparatos en área peligrosa
La intensidad de corriente y de voltaje suministrados a un aparato intrínsecamente
seguro deben estar certificadoscomo no incendiarios bajo condiciones de circuito
abierto, corto circuito y cualquier resistencia de carga. Solamente los componentes
que pueden almacenar o convertir energía pueden causar problemas.
5.9.1. Aparatos simples
En la cláusula 1.3 de la norma CENELEC EN-50014 se define que:
No necesitan ser certificados o marcados los aparatos en los que, de acuerdo a la especi-
ficación del fabricante, ninguno de los valores de 1,2 V, 0,1 A, 20 µJ o 25 mW sean
excedidos.
Por ejemplo, una termorresistencia por sí misma es un aparato simple, pero forma
parte de un circuito eléctrico al estar incluida dentro de un puente de Wheatstone.
Los detectores relativamente simples, que son la base de muchas aplicaciones de
seguridad intrínseca, se atienen a esta cláusula para evitar su certificación. Interruptores,
termopares, termorresistencias, potenciómetros, diodos LED y strain gage son obvia-
mente aparatos simples.
Es importante destacar que los parámetros anteriores se refieren a valores autoge-
nerados, puesto que a veces se pueden alimentar desde sistemas certificados en zona
segura con valores mayores. De acuerdo a lo anterior, la mayoría de los cristales
piezoeléctricos no son aparatos simples porque pueden generar tensiones superiores
a 1,2 V.
La posibilidad de añadir aparatos simples a sistemas certificados existentes, sin
tener que modificar el resto de parámetros, es de una gran utilidad y proporciona una
flexibilidad a la seguridad intrínseca que no tiene ninguna otra técnica.
143
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 143
5.9.2. Interruptores
El interruptor es el aparato simple más utilizado y más fácil de comprender. Es
quizá el aparato eléctrico ideal intrínsecamente seguro, puesto que no puede llegar a
ser inaceptable cualquiera que sea su uso o trato. En la práctica cualquier interruptor
que proporcione un funcionamiento aceptable reúne los requerimientos para formar
parte de un circuito con seguridad intrínseca.
La clasificación de temperatura para los interruptores es siempre T6 y el grupo de
gas será el permitido por la combinación del sistema de protección utilizado.
Una enmienda a la norma CENELEC EN-50020, realizada en 1986, eliminó la
necesidad de protección adicional para interruptores situados en Zona 0, lo cual
simplifica su tratamiento al no obligar a situarlos en cajas herméticamente sella-
das.
5.9.3. Aparatos certificados
Cualquier equipo electrónico «complejo», tal como un transmisor de 2 hilos o un
convertidor I/P, puede almacenar fácilmente cantidades peligrosas de energía en sus
condensadores y bobinas internas. Por esta causa los equipos situados en área peligro-
sa, que sean capaces de almacenar energía, deben ser certificados por un organismo
competente.
Los detalles de construcción se recogen en la norma CENELEC EN-50020.
5.10. Equipos en área segura
Cuando un equipo está conectado a cualquier tipo de interfase intrínsecamente
segura, existen algunas limitaciones en este equipo; por ejemplo, el voltaje máximo
permitido es de 250 V con respecto a tierra.
Si la interfase utiliza tierra de protección conectada directamente a su circuito, por
ejemplo una barrera Zener, entonces el equipo debe disponer de transformador con
doble aislamiento para eliminar la posibilidad de que el neutro se ponga a tierra en
más de un punto. Este transformador estará adecuadamente protegido por fusibles, tal
como requiere una buena práctica eléctrica.
Hay circunstancias en las que no se utilizan los transformadores de aislamiento.
Los relés y otros aisladores electromecánicos son, con mucha frecuencia, conectados
directamente a las barreras. Es también muy común el uso de transformadores relati-
vamente pequeños y optoacopladores para conectarse a la vía de datos.
Los 250 Vca que han sido mencionados suele ser la alimentación disponible. Las
normas permiten una desviación de ± 10 % en el voltaje, picos de alto voltaje durante
cortos periodos de tiempo (2,5 KV para 10 µseg), frecuencia comprendida entre 47 y
65 Hz y forma de onda.
La prescripción de 250 Vca como máximo voltaje es por lo tanto una indicación
del nominal permitido. De forma similar los 250 Vcc permitidos es el valor nominal,
por lo que pequeñas excursiones (20 %) por encima de este valor no se consideran
como violación de los requerimientos.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS144
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 144
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
5.11. Sistemas intrínsecamente seguros
Cuando se conectan aparatos intrínsecamente seguros, el análisis de las interaccio-
nes y sus efectos combinados sobre seguridad revelan que la seguridad intrínseca es
esencialmente un concepto de sistema, y no de elementos individuales.
Puede argumentarse que las otras técnicas también se atienen a la correcta interco-
nexión y elección del método de protección eléctrica. Por ejemplo, un motor flame-
proof depende para su seguridad del correcto dimensionamiento de los mecanismos
de arranque para proteger sobrecargas y fallos, adecuada conexión a tierra y conve-
nientes medios de aislamiento, todo lo cual constituye un sistema.
Sin embargo, en un sistema intrínsecamente seguro el peligro resultante suele
venir como consecuencia del fallo de un equipo situado en área segura. Por tanto exis-
te la necesidad de una consideración muy detallada de todos los aspectos de seguri-
dad, los cuales dan como resultado la certificación de todo el sistema.
Básicamente un sistema intrínsecamente seguro puede ser dividido en tres partes:
1. Interfase, en zona segura, entre el equipo no intrínsecamente seguro situado en
panel y el sistema intrínsecamente seguro situado en planta. Un ejemplo de
interfase es la barrera Zener.
2. Cableado, cajas y accesorios para unir la interfase con el equipo en área peli-
grosa.
3. Equipo situado en zona peligrosa. Por ejemplo, transmisor a 2 hilos con 4 a 20
mA de señal.
Cuando un sistema dispone de aparatos intrínsecamente seguros en el área peli-
grosa, fuente de alimentación certificada y aparatos receptores en el área segura, debe
evaluarse la combinación de acuerdo a la norma CENELEC EN-50039. Los equipos
montados en área segura que están certificados para que sus terminales puedan ser
conectados a equipos situados en zona peligrosa se denominan «aparatos eléctricos
asociados».
En instrumentación existen lazos relativamente simples de este tipo, denominados
«autocontenidos», en los que puede ser certificado el conjunto de instrumentos en
zona peligrosa y en área segura, tal como aparece en la Figura 5.2. Los aparatos eléc-
tricos autocontenidos serán normalmente certificados como intrínsecamente seguros y
consecuentemente instalados de acuerdo con los requerimientos de su certificado.
En la práctica hay muy pocos circuitos como el anterior, puesto que la señal desde
o hacia el área peligrosa se alimenta normalmente de otro equipo. En estas circunstan-
145
APARATO
INTRINSE-
CAMENTE
SEGURO
APARATO
ELÉCTRICO
ASOCIADO
Figura 5.2
´
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 145
cias no existe la posibilidad de certificar el instrumento en zona segura debido a su
complejidad, existiendo además la necesidad de mantener flexibilidad en su elección
y uso. La solución en estas circunstancias es introducir en el circuito una interfase que
no pueda transmitir un nivel de energía peligroso al área peligrosa, tal como aparece
en la Figura 5.3.
La primera interfase que tuvo un impacto real sobre la seguridad de los instrumen-
tos situados en campo fue la barrera Zener, la cual fue introducida en los años 60. En
la Figura 5.4 aparece el diagrama de un tipo de barrera Zener.
Durante algún tiempo los módulos para interruptores han utilizado un circuito a
base de transformadores y optoaisladores para crear una interfase segura. Esta técnica
se ha extendido también a las señales analógicas, conociéndose con el nombre de ais-
lamiento galvánico. Un diagrama de este tipo de protección aparece en la Figura 5.5.
No existe una necesidad absoluta por la que las interfases debanestar separadas de
los aparatos, por lo que muchas unidades certificadas logran la seguridad incorporan-
do la red dentro del equipo. La Figura 5.6 ilustra una opción que resuelve algunos pro-
blemas cuando se utiliza un conjunto de «aparatos eléctricos asociados» e interfase
intrínsecamente segura. La seguridad del conjunto debe ser establecida obteniendo el
certificado del sistema.
La normalización sobre sistemas, de acuerdo a CENELEC, permite el uso de com-
binaciones de aparatos en los que pueda ser fácilmente demostrada su seguridad.
Aunque en algunos casos, sistemas completos intrínsecamente seguros se puedan ins-
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS146
APARATO
INTRINSE-
CAMENTE
SEGURO
APARATO
EN AREA
SEGURA
INTERFASE
INTRINSE-
CAMENTE
SEGURA
 Aparato simple
(< 1,2 V, < 0,1 A
< 20 µJ, < 25 mV)
Figura 5.3
RESIST. RESIST. FUSIBLE
ZONA
SEGURA
ZONA
PELIGROSA
+
0 V.
+
0 V.
Figura 5.4
´ ´ ´
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 146
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
talar en áreas peligrosas, normalmente parte de tales sistemas serán instalados en zona
segura. En cualquier caso la seguridad del sistema depende de todos los aparatos que
lo forman y del cableado entre ellos.
Los sistemas simples no requieren ser certificados como conjunto cuando todos
los aparatos están certificados como intrínsecamente seguros, o como aparatos eléctri-
cos asociados, puesto que está completamente claro por la información dada por las
diferentes certificaciones que el sistema es intrínsecamente seguro.
Los aparatos simples y componentes tales como termopares, fotocélulas, cajas de
unión, etc., pueden ser utilizados en sistemas intrínsecamente seguros sin ninguna cer-
tificación, puesto que estos componentes no pueden generar o almacenar más energía,
147
CIRCUITO
EN AREA
SEGURA
CIRCUITO
EN AREA
PELIGROSA
LIMITADOR
 DE
ENERGIA
ALIMENT. C.A.
TRANSFORMADOR CON
COMPONENTES APROBADOS
AISLADOR
OPTICO
Figura 5.5
APARATO
INTRINSE-
CAMENTE
SEGURO
APARATO
EN AREA
SEGURA
INTERFASE
INTRINSE-
CAMENTE
SEGURA
APARATO
ELÉCTRICO
ASOCIADO
Figura 5.6
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 147
en condiciones normales de trabajo o ante los fallos permitidos por la norma, de los
límites permitidos en los sistemas intrínsecamente seguros.
La clasificación eléctrica de los aparatos eléctricos simples y componentes debe ser
generalmente T4 (135 °C). Las cajas de conexión e interruptores pueden ser clasificados
como T6 (85 °C) porque por su naturaleza no contienen componentes que disipen calor.
5.11.1. Procedimientos de certificación
Puesto que todos los instrumentos de proceso forman parte de sistemas, se produ-
cen interacciones entre los mismos desde el punto de vista de la seguridad. En vista de
ello es de gran importancia la forma en que las autoridades aborden la certificación de
los instrumentos y dispositivos de interconexión.
Al comienzo de la seguridad intrínseca, debido a la falta de experiencia y de cono-
cimiento, las autoridades certificaban cada sistema como un todo; por ejemplo, un
registrador junto con sus termopares o un transmisor con su fuente de alimentación.
Cualquier cambio que se produjera en cualquier equipo del sistema requería una nue-
va certificación, lo que se traducía en un coste elevado, largas pérdidas de tiempo y
poca aceptación de esta tecnología.
Con la aparición de las barreras de seguridad fue ampliamente aceptado que los
termopares, las resistencias, los interruptores y otros equipos semejantes no producían
fallos importantes y, por tanto, no necesitaban certificado. Sin embargo, aún se nece-
sitaba un certificado para un sistema que incluyera un transmisor, relacionando las
barreras de seguridad permitidas e indicando su tipo y fabricante, lo que mantenía aún
el mercado bastante restringido.
Actualmente, con el procedimiento modular, todas las autoridades aceptan las cer-
tificaciones basadas en los siguientes principios:
• El certificado para una barrera de seguridad establece los máximos parámetros
permitidos para los cables, intensidad y tensión máxima que puede ser suminis-
trada en condiciones de fallo.
• El certificado para un transmisor establece la intensidad y la tensión máxima
que puede recibir y los valores de capacitancia e inductancia admitidos.
• Un transmisor puede ser utilizado en condiciones seguras con cualquier barrera
cuya intensidad y tensión máximas sean iguales o inferiores a las máximas espe-
cificadas para el transmisor.
Cada instrumento o dispositivo de interfase es certificado individualmente y no es
necesario ningún certificado del sistema, pudiendo mezclar instrumentos de diferentes
suministradores.
5.12. Seguridad intrínseca con barreras Zener
De acuerdo al concepto de seguridad intrínseca, los equipos situados en área peli-
grosa deben estar certificados como intrínsecamente seguros o ser aparatos simples,
es decir, no almacenadores de energía en cantidad suficiente para ser peligrosos.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS148
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 148
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
Cuando los equipos están conectados por medio de cableado a una fuente de ali-
mentación situada en área segura, los posibles fallos del sistema de alimentación
deben ser considerados al evaluar la seguridad del conjunto de equipos situados tanto
en área segura como en área peligrosa, y su cableado.
Una de las técnicas para separar el área peligrosa de la segura es la utilización de
barreras Zener, de tal forma que estas determinen la línea más allá de la cual se deben
tomar precauciones en el cableado y mantenimiento.
5.12.1. Funcionamiento
Por medio de las barreras Zener se elimina la necesidad de utilizar aparatos certifi-
cados en área segura. Este sistema de interfase entre áreas peligrosa y segura propor-
ciona dos funciones de protección básicas:
• Limita la corriente y el voltaje que pasan al área peligrosa a niveles por debajo
de los que pueda producirse la ignición de la atmósfera explosiva.
• Deriva cualquier fallo en el circuito a través de pasos que impiden la presencia
de voltajes peligrosos en el área peligrosa.
La Figura 5.7 muestra una barrera de seguridad con canal simple y polaridad posi-
tiva. Si se invierte la polaridad de los diodos Zener, la polaridad será negativa. Existen
diversos tipos de barreras en función del componente del lazo, pero todas son concep-
tualmente iguales.
149
RESIST. RESIST. FUSIBLE
ZONA
SEGURA
ZONA
PELIGROSA
+
0 V.
+
0 V.
CONEXIÓN
A BUSBAR
Figura 5.7
La Figura 5.8 muestra el paso de corriente cuando, por algún tipo de fallo o avería,
se aplica un voltaje que excede la tensión Zener del diodo. La corriente capaz de pasar
al área peligrosa está limitada por la resistencia total de la barrera y del cableado. Si el
fallo en la corriente que fluye por el diodo persistiera durante un periodo de tiempo
apreciable, los componentes no serían capaces de soportar el exceso de carga, hacien-
do saltar el fusible incorporado en la barrera de seguridad. El conjunto de fusible, dio-
dos y resistencias constituye lo que se denomina habitualmente barrera Zener. El com-
portamiento del diodo Zener se puede ver en el capítulo de electrónica básica.
En todas las barreras, la conexión entre el busbar y el valor cero de la fuente de
alimentación debe ser de longitud corta y gran sección, porque si hay varios instru-
mentos la circulación máxima de corriente por este cable será igual a 20 mA por el
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 149
número de instrumentos. Por ejemplo, si hay 50 transmisores conectados y la resisten-
cia del cable es de 0,01 ohmio, la caída de tensión máxima será:
50 × 0,020 × 0,01 = 0,01 V = 10 mV
Esta caída de tensión puede producir un error importante en la parte inferior del
rango de 1 a 5 V, sobre todo si se trata de medidas de caudal cuya señal es cuadrática.
5.12.2. Montaje
La técnica habitual para montar las barreras Zener consiste en instalar una barra de
cobre (busbar) sobre la que se soportany conectan todas las barreras utilizadas.
La barra de cobre se conecta a la tierra del sistema por medio de un cable de sufi-
ciente sección para conseguir que se ofrezca la menor resistencia posible al paso de
corriente; es aconsejable que dicha resistencia no sea mayor de 0,1 ohmio.
A veces se instalan barreras Zener en cajas a prueba de explosión situadas en zona
peligrosa con objeto de eliminar la necesidad de certificar los aparatos situados en
zona segura, o para cambiar la clasificación de otros aparatos situados a su vez en área
peligrosa. Cada caso debe ser estudiado para cumplir con los conceptos de seguridad
intrínseca.
Las barreras Zener son aparatos certificados, y deben cumplir todas las barreras
que componen un sistema con la misma certificación de seguridad. En la Figura 5.9
aparecen las tres barreras correspondientes a un lazo de control instaladas sobre una
pletina de cobre conectada a la tierra de referencia. También aparece la resistencia de
250 ohmios para convertir la intensidad de 4 a 20 mA en una tensión de 1 a 5 V justo
a la entrada del sistema de control para evitar cualquier otra caída de tensión que pue-
da introducir error en la medida.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS150
CONV.
 I / P
+
0
TENSION SUPERIOR
A LA DE ZENER
ÁREA
SEGURA
BUSBAR
+
0
TIERRA DEL SISTEMA
+
ALIM.
ÁREA
PELIGROSA
Figura 5.8
´
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 150
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
5.12.3. Terminología
La descripción de una barrera, por ejemplo «10 V 50 Ω 220 mA», se refiere a la
tensión máxima del diodo Zener, el valor mínimo de resistencia de la barrera y la
corriente máxima de cortocircuito. Es una indicación de la energía de fuga que se pue-
de desarrollar en la zona peligrosa y no de la tensión de trabajo o de la resistencia pun-
ta a punta.
La polaridad de las barreras puede ser «+», «–» o sin polaridad «c.a.». Las polari-
zadas reciben o suministran tensiones de la zona segura solamente de la polaridad
especificada. Las no polarizadas sirven para tensiones de cualquier polaridad aplicada
a cualquier extremo.
La resistencia punta a punta es la que existe entre los extremos del canal de una
barrera a 20 °C, sumando la que corresponde a las resistencias y al fusible.
La tensión máxima de una barrera es aquella que se puede aplicar continuamente
entre el borne de la zona segura de cualquier canal de la barrera y la conexión a tierra,
sin fundir el fusible, a una temperatura ambiente de 20 °C.
El valor nominal del fusible es la máxima intensidad que puede pasar continua-
mente (durante 1.000 horas a 35 °C) a través del mismo. La intensidad nominal se
puede sobrepasar en un 60 % aproximadamente durante cortos periodos de tiempo
(1.000 seg.).
Muchas aplicaciones prácticas de seguridad intrínseca dependen del uso de barre-
ras Zener. Este tipo de interfase tiene ciertas limitaciones, entre las que se pueden citar
como más importantes:
151
TRANS-
MISOR
CONVERT.
 I / P
REFERENCIA
4 a 20 mA
4 a 20 mA
ZONA PELIGROSA ZONA SEGURA
S
IS
T
E
M
A
 D
E
 C
O
N
T
R
O
L
+ 24 V
1 - 5 V
+
+
+
+
_
_
25
0
 PLETINA
DE COBRE
A
LI
M
.
BARRERA
ZENER
Figura 5.9
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 151
• Requieren una conexión a tierra de alta integridad para derivar todos los fallos
de corriente.
• Conectan juntos los circuitos de áreas peligrosa y segura a la misma tierra, cre-
ando ciertas restricciones al resto del sistema.
5.13. Seguridad intrínseca con aisladores galvánicos
Las limitaciones de las barreras Zener no siempre son significativas, pero en caso
de existir pueden ser eliminadas utilizando interfases aisladas.
El aislamiento total entre entrada, salida y alimentación, así como los reducidos
requerimientos de puesta a tierra junto con el concepto de que cada unidad puede rea-
lizar el acondicionamiento de las señales, hace mucho más fácil la aplicación de aisla-
dores galvánicos como técnica de protección de seguridad intrínseca.
5.13.1. Funcionamiento
La seguridad intrínseca de las unidades se establece por medio de una barrera de
aislamiento físico para evitar que la energía de alto valor existente en el área segura
pase a los circuitos situados en área peligrosa. La energía para los circuitos situados
en área peligrosa se toma de un transformador con componentes aprobados, diseñado
para suministrar tensión separada de la correspondiente al área segura.
El paso de señal o transferencia de información también debe incorporar compo-
nentes aprobados para dar la separación apropiada por medio de relés, optoaisladores
u otro transformador de aislamiento. En la Figura 5.5 se ha visto un ejemplo con aco-
plamiento por medio de aislador óptico, mientras que la Figura 5.10 muestra otro
ejemplo con aislamiento por medio de transformador.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS152
ALIMENTACIÓN
V ca
+
_
+
_
ÁREA SEGURAÁREA
PELIGROSA
TRANS-
MISOR.
4 a 20 mA 4 a 20 mA RECEPTOR
Figura 5.10
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 152
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
Existen otros detalles o consideraciones de diseño, pero el primer requerimiento es
evitar el paso de voltaje de la zona segura a la peligrosa por medio de separación ópti-
ca o magnética.
5.13.2. Montaje y uso de aisladores en Zona 1
Hay un número pequeño de aplicaciones donde los aisladores deben montarse en
áreas peligrosas clasificadas como Zona 1. En estas circunstancias la técnica más
común es la de situar dichos aisladores dentro de cajas a prueba de explosión (Ex d).
La caja debe ser instalada de acuerdo a las normas adecuadas. El cable de seguri-
dad intrínseca y las conexiones en área segura deben mantenerse separadas y el cable
para el circuito intrínsecamente seguro debe ser de un tipo que pueda acoplarse a los
prensaestopas de la caja antideflagrante. El cable por sí mismo no tiene que cumplir
con la integridad requerida por la instalación antideflagrante, pero el conjunto de pren-
saestopas y cable tiene que asegurar la integridad de la envolvente.
Cuando existe un número de elementos alimentados en una caja antideflagrante,
es una buena práctica montar una caja separada para seguridad intrínseca, tal como
aparece en la Figura 5.11. Esto simplifica el mantenimiento al permitir trabajar en
vivo en la caja, y además reduce el número de prensaestopas antideflagrantes en la
caja envolvente a prueba de explosión.
153
ALIMENT.
2 3 4
MOTOR HIDRÁULICO
(FLAMEPROOF)
SENSOR DE
POSICIÓN
PLATAFORMA CON:
 4 MOTORES
 4 SENSORES
MOTOR 1
2
3
4
 CONTROL DE
 MOTORES
(FLAMEPROOF)
UNIDADES DE
 INTERFASE
(FLAMEPROOF)
SENSOR 1
CAJA UNION
SEGURIDAD
INTRÍNSECA
SALIDA
Figura 5.11
5.13.3. Algunas aplicaciones prácticas
La naturaleza de los aisladores galvánicos elimina la necesidad de instalar un cable
de igualación de potencial. Como resultado de la simplificación y reducción en el cos-
te del montaje, en muchos tipos de instalaciones se obtiene una considerable ventaja
con respecto a las barreras Zener.
´
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 153
El argumento principal en favor de la barrera Zener es su simplicidad y bajo coste,
aunque no es totalmente cierto porque, por ejemplo, en pequeñas instalaciones el uso
de aisladores elimina la necesidad de utilizar fuentes de alimentación y barra de cobre
(busbar) para conexión a tierra que necesitan las barreras, por lo que los aisladores
pueden resultar más económicos.
Existen otras ocasiones en las que, por carecer de conocimientos sobre las
condiciones del lugar de instalación, se pueden minimizar los problemas de instala-
ción utilizando aisladores.
La Figura 5.12 muestra la conexión típica de un transmisor por medio de un aisla-
dor con acoplamiento por transformador, en la que se ve que, debido al aislamiento
total, se eliminan los problemas asociados con las diferentes conexiones o puestas a
tierra. La tierra a la que está unido el transmisor no tiene por qué ser la misma que la
del edificio de control.
La Figura 5.13muestra un aislador conectado a un convertidor de salida (I/P), el
cual se comporta como un repetidor de señal, totalmente aislada, desde el área segura
al área peligrosa.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS154
+
-
-
+
ALIMENTACION
RECEPTOR4 a 20 mA4 a 20 mA
ÁREA SEGURA
Figura 5.12
-
4 a 20 mA
+
-
+
I/P
ÁREA
PELIGROSA
ÁREA SEGURA
 SALIDA
 4 a 20 mA
C
O
N
T
R
O
L
A
D
O
R
Figura 5.13
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 154
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
5.14. Requerimientos de puesta a tierra
La tierra de protección es una parte vital de la seguridad en casi todos los sistemas
eléctricos o electrónicos en que los gases potencialmente explosivos pueden constituir
un peligro. La correcta puesta a tierra es importante para todas las técnicas de protec-
ción, incluyendo la seguridad intrínseca.
La puesta a tierra debe hacerse normalmente en un solo punto, aceptándose múlti-
ples puntos si las diferentes partes de un circuito están separadas por alguna técnica
de conexión aceptable, tal como aislamiento galvánico.
5.14.1 Red de tierras de la planta
La distribución de tierras a través de una planta, o unidad de proceso, constituye
un retorno seguro, robusto y de baja resistencia para asegurar que los fallos de corrien-
te sean derivados rápidamente. Normalmente los equipos y tuberías de proceso están
conectadas formando una malla con los equipos eléctricos, de tal forma que se redu-
cen las diferencias de potencial a niveles a los que no existen riesgos para el personal.
Habitualmente existen transformadores para distribuir las alimentaciones eléctri-
cas cuyo neutro, tomado del punto de unión de la conexión en estrella, está conecta-
do al sistema de picas o pantallas de tierra. También de forma habitual cada instala-
ción eléctrica dispone de retorno hacia este punto a través del propio cableado, bien
por medio de la armadura del cable o por un conductor específico destinado al efec-
to. Este sistema está soportado además por la interconexión de los equipos a las
estruc-turas metálicas formando una malla de tierras. Por último existe otro camino
de unión a través del terreno, aunque este no se suele tener en cuenta para conexio-
nes de seguridad.
En operación normal, la circulación de corriente a través del sistema de pantallas o
armaduras se debe casi únicamente a la capacidad de los cables, pero algunas veces
ocurren transitorios importantes cuando se conectan o desconectan grandes máquinas
consumidoras de electricidad o ante situaciones de fallo eléctrico.
5.14.2. Tierra de protección en sistemas intrínsecamente seguros
Lo más esencial de la tierra de seguridad es proporcionar un retorno de baja impe-
dancia desde el busbar, con el fin de evitar que, ante cualquier fallo, pase la corriente
del área segura a la peligrosa. El fallo de corriente retornará al punto neutro y por tan-
to al transformador de distribución.
La corriente que fluye a través del cable de tierra genera una diferencia de poten-
cial entre la toma de tierra y el busbar que debe ser minimizada para que no pueda
ocasionar daños.
Las condiciones de instalación con barreras de seguridad requieren que la impe-
dancia total del camino comprendido entre las barreras y el punto de conexión a tierra
sea inferior a 1 ohmio. En algunos artículos se recomienda aumentar la sección del
cable para que la resistencia sea inferior a 0,1 ohmio. Por otro lado, las normas CENE-
LEC dicen además que los cables de puesta a tierra deben estar aislados para evitar la
155
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 155
invasión de corriente, protegidos mecánicamente si existe riesgo de daño e identifica-
dos para indicar su función.
Los potenciales a tierra pueden diferir sustancialmente en las diferentes zonas de
las unidades de proceso. Por esta causa existe siempre el peligro de que al aparecer
múltiples puestas a tierra en el circuito situado en área peligrosa, se pueda llegar a la
aparición de chispas. La solución técnicamente correcta es asegurar que cada circuito
esté aislado en toda su longitud y que únicamente se conecte a tierra en un punto,
generalmente el extremo situado en zona segura.
Una buena práctica es unir los sistemas a tierra por medio de dos cables diferentes
y aislados entre ellos. A una tierra se une el busbar para funcionamiento del sistema
de control y por otro los chasis de los equipos y armarios para protección personal. De
esta forma se reducen o eliminan las posibles perturbaciones que puedan producir
grandes máquinas consumidoras de electricidad, dada la mayor capacitancia de las
estructuras, unidas a la tierra de protección personal.
Los dos cables están habitualmente aislados por una cubierta de color amarillo
verde y deben tener una sección mínima de 4 mm2 cada uno de ellos. Utilizando con-
ductores de 10 mm2 se tendrá una resistencia de 0,17 ohmios cada 100 metros, lo cual
proporciona una condición más segura que si el cable es de menor sección.
Generalmente la longitud de estos conductores suele ser menor de 100 metros.
5.14.3. Aislamiento de equipos en área peligrosa
Los requerimientos usuales para circuitos puestos a tierra en el área segura exigen
que estén aislados en el área peligrosa, como ocurre en circuitos con barreras Zener.
Aunque no existe un dato oficial para la resistencia de aislamiento, un valor de 10
kiloohmios proporciona una seguridad aceptable en la mayor parte de las aplicaciones.
Existen sin embargo una serie de medidores que no pueden ser aislados en el área
peligrosa, tal como electrodos de pH, conductividad, etc., los cuales se encuentran
sumergidos en el líquido contenido en un recipiente. En este caso hay que observar las
siguientes condiciones de instalación:
• Unir el busbar con el equipo situado en área peligrosa o la estructura metálica
adyacente por medio de un cable con sección no inferior a 4 mm2.
• No exceder de 100 metros la longitud entre los dos puntos mencionados en el
apartado anterior, aunque puede llegarse a 200 metros aumentando la sección
del cable a 8 ó 10 mm2.
• Utilizar terminales de seguridad aumentada tipo «e» para eliminar los efectos de
vibración o corrosión.
• Si las barreras se tienen que ubicar en zona clasificada, la caja envolvente debe
ser adecuada a dicha zona.
5.15. Cables y accesorios
Donde la instalación de aparatos o sistemas certificados no exige características
especiales en los cables, estos se rigen por la norma CENELEC EN-50039.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS156
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 156
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
Las características a tener en cuenta en los cables de interconexión son:
• Sección del cable.
• Aislamiento.
• Protección (armadura y apantallamiento).
5.15.1. Cables y multicables
Al hablar de sección, la norma CENELEC EN-50020 utiliza como aceptable el
valor de un tercio de la intensidad de fusión de un cable de cobre para alcanzar la tem-
peratura superficial T4 (135 °C). En un cable con múltiples hilos el área total es la
combinada de todos los hilos, siendo 0,017 mm2 el área permitida para 1 amperio.
Utilizando estos datos no se presenta ningún problema con los cables convencionales.
Más que debido a lo anterior, puesto que la intensidad máxima es de 20 mA, general-
mente la sección viene condicionada por la resistencia total del cable, la cual hace
caer la tensión de llegada al elemento situado en campo hasta límites de mal funciona-
miento si la sección es insuficiente.
Con respecto al aislamiento, los requerimientos básicos para un cable convencio-
nal exigían un espesor mínimo de 0,3 mm. Este espesor ha sido reducido a 0,2 mm en
la norma CENELEC EN-50039. Hay que hacer notar que las pruebas se realizan a 500
voltios, aunque la máxima tensión de trabajo es de 60 voltios.
En lo que se refiere a protección, para los cables intrínsecamente seguros se exige
una cubierta general con dos fines, uno para evitar daños mecánicos y otro para defi-
nir las características del cable. No existen requerimientos de apantallaro armar los
cables, aunque es normal que se utilicen alguna o ambas protecciones para mantener
la integridad de la señal.
Cuando se utilizan cables armados, la armadura debe ser conectada a tierra de estruc-
turas en ambos extremos, utilizando prensaestopas a prueba de explosión. Esto no está en
línea con la práctica normal de seguridad intrínseca de unir a tierra en un solo punto, aun-
que se acepta generalmente que la armadura es parte de la estructura y debe ser conecta-
da a la misma, independientemente del método de protección contra explosión utilizado.
Conectando a tierra ambos extremos de la armadura se posibilita la circulación de
corriente a través de la misma. Por tanto, al no actuar como pantalla se pueden inducir
señales no deseadas en los cables de instrumentos. Por esta razón los cables portado-
res de corriente se especifican frecuentemente con pantalla situada debajo y aislada de
la armadura. La armadura no debe ser conectada a la tierra de referencia de las seña-
les. Los cables con aislamiento mineral deben tratarse como si fueran cables armados,
a efectos de prensaestopas y conexionado de los mismos.
La pantalla se conecta normalmente a la tierra de referencia de las señales.
Cuando se utilizan interfases de seguridad intrínseca, tales como barreras Zener, la
pantalla debe ser conectada al mismo punto que las barreras. En las cajas de conexión
hay que hacer provisión de bornas para las pantallas, pero sin ponerlas a tierra en ese
punto. Generalmente no es buena práctica utilizar las pantallas para transportar seña-
les, aunque pueden ser utilizadas en caso de necesidad.
Los circuitos intrínsecamente seguros pueden agruparse en multicables sin ningu-
na consideración de posibles fallos entre dichos circuitos, si se tiene en cuenta que:
157
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 157
• El cable no está sujeto a daños mecánicos.
• El cable está bien soportado mecánicamente.
• Cada circuito ocupa conductores adyacentes.
• El voltaje del circuito es menor de 60 voltios.
La intención es permitir la utilización de multicables, sujetos sobre bandejas u
otros caminos, para unir un número de circuitos intrínsecamente seguros entre la caja
de conexión en campo y la interfase adecuada, barreras Zener o aisladores galvánicos.
5.15.2. Invasión e inducción
Es una buena práctica separar en distintas bandejas y conductos los cables intrín-
secamente seguros y los que no lo son. Este procedimiento simplifica los problemas
de identificación y elimina la posibilidad de invasión o inducción que puedan causar
peligro o mal funcionamiento.
A pesar de lo anterior, no se exige esta separación si los cables están armados o
apantallados. Por tanto, en los casos en los que existan pocos cables de seguridad
intrínseca, estos pueden ser instalados por los caminos de los que no lo son, o vicever-
sa, simplemente por condicionantes económicos.
Durante mucho tiempo se ha considerado la posibilidad de que se produzcan nive-
les de energía peligrosos en los circuitos intrínsecamente seguros si se instalan próxi-
mos a circuitos de alimentación. Sin embargo, se ha demostrado que solo en circuns-
tancias excepcionales puede surgir peligro. Solamente si existen corrientes
excepcionalmente grandes o campos magnéticos intensos debe tenerse cuidado en la
disposición de los cables.
Por último, en lo relativo a mezclar por los mismos caminos o conductos los cables
de señales eléctricas con las señales neumáticas, la normalización IEE elimina cual-
quier malentendido al mencionar lo siguiente:
Los servicios eléctricos no serán instalados en el mismo conduit, conducto o camino que
las tuberías o tubos de servicios no eléctricos, por ejemplo aire, gas, aceite o agua. Este
requerimiento no se aplica donde varios servicios están bajo la misma supervisión y está
confirmado que no puede existir ninguna influencia en detrimento mutuo.
5.15.3. Otros factores y parámetros
La elección de un cable está determinada frecuentemente por los requerimientos
de la instalación, y debe tener en cuenta los siguientes problemas o condicionantes:
• Ataque químico, solar u otra radiación.
• Ataque por agua y corrosión.
• Vibración excesiva.
• Temperatura excesiva.
• Posibilidad de que se produzcan daños por transmisión de gas a lo largo del
cable.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS158
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 158
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
Otro factor a tener en cuenta es el color de la cubierta exterior de los cables intrín-
secamente seguros. Donde se pueda elegir libremente se puede utilizar el color azul
claro. No existe, sin embargo, ninguna recomendación que deba ser utilizada. La úni-
ca normativa oficial está recogida en la norma CENELEC EN-50020, la cual estable-
ce que:
Los elementos que facilitan la conexión, cajas, enchufes y bornas de aparatos eléctricos
intrínsecamente seguros y aparatos eléctricos asociados serán claramente marcados y serán
claramente identificados. Donde se utilice el color para este uso, este debe ser azul claro.
El color azul también se utiliza internacionalmente para identificar el neutro de los
cables, aunque por tratarse del aislamiento de un solo conductor no produce ninguna
confusión con el azul utilizado en la cubierta exterior.
5.15.4. Cajas envolventes y prensaestopas
Los únicos requerimientos impuestos por las normas sobre terminales son 6 mm
de separación entre puntos de conexión de diferentes circuitos y 4 mm de distancia a
cualquier parte metálica en contacto con tierra. En la práctica, por razones de operati-
vidad se utilizan conceptos de seguridad aumentada, los cuales son más que adecua-
dos para circuitos de seguridad intrínseca.
La mezcla de circuitos intrínsecamente seguros junto a otros que no lo son, dentro
de la misma caja, ocasiona la imposición de no poder abrir la caja bajo tensión. Por
tanto, solo se mezclarán circuitos bajo condiciones verdaderamente excepcionales.
Existe mucha discusión acerca del mejor método de llevar a cabo el conexionado
de hilos. La manera más fácil y probablemente la mejor es utilizar terminales mante-
niendo el aislamiento y eliminando la pantalla del cable lo justo para hacer una insta-
lación correcta.
No existen requerimientos especiales para cajas en circuitos de seguridad intrínse-
ca. Solo existe la necesidad de protegerla frente a humedad o polvo, así como frente a
daños mecánicos, de la misma forma que cualquier circuito de instrumentos. Como
consecuencia, es suficiente con utilizar protección IP-54, aunque en la mayoría de las
instalaciones se utilizan grados de protección mayor que el mencionado, tal como IP-
65. Cuando el grado de humedad es alto se debe considerar el uso de cajas de plástico,
comprobando previamente la compatibilidad con posibles agentes químicos existentes
en la zona.
La entrada de cables a la caja se hace normalmente a través de prensaestopas para
mantener el nivel de protección ambiental de la caja, así como para proteger mecáni-
camente los cables. Si existe capacidad de reserva en la caja es conveniente realizar
los taladros roscados antes de la instalación de la misma y taparlos con tapones. Es
extremadamente difícil realizar taladros y roscas en áreas peligrosas con la planta en
servicio.
Las cajas de conexión deben ser siempre más grandes que las previsiones realiza-
das en principio. Los cables siempre ocupan más espacio del previsto; los prensas
siempre son más largos y por último siempre existe necesidad de incluir más bornas
de las previstas en el diseño original.
159
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 159
Es evidente la necesidad de identificar las cajas en circuitos de seguridad intrín-
seca. La localización de las mismas debe ser tal que facilite las operaciones de man-
tenimiento. A veces la posición de los sensores está en función de la medida que tie-
nen que realizar y tienen que estar necesariamente inaccesibles; a pesar de ello, no
existe ninguna razón por la cual no se pongan las cajas accesibles para el trabajo de
mantenimiento.5.16. Elementos de temperatura
Todos los elementos para medida de temperatura instalados donde hay un posible
peligro debido a combinación de gases peligrosos deben ser protegidos de alguna
manera.
5.16.1. Termopares
Existe una opinión muy generalizada según la cual, si un termopar está situado en
Zona 0, la única forma de protección aceptable es la seguridad intrínseca al más alto
nivel, es decir, protección «ia». La Zona 1 permite el nivel «ib», técnicas antidefla-
grantes y posiblemente seguridad aumentada.
No existe duda en que el interior de un recipiente con gases peligrosos es Zona 0,
a pesar de que en ocasiones la concentración de gas pueda estar por encima del límite
de explosión.
Dado que los termopares se instalan dentro de vainas de protección, el termopar
no está realmente situado en Zona 0. A pesar de ello existe el riesgo de que a lo largo
del tiempo se produzca una fuga en el acoplamiento de la vaina; la fuga será probable-
mente pequeña, por lo que generará una clasificación alrededor de la cabeza del ter-
mopar como Zona 1. Fuera de la esfera de clasificación como Zona 1 (alrededor de 1
metro en la mayoría de los casos), se tendrá la Zona 2.
En cualquier caso, siempre que sea factible es mejor eliminar cualquier tipo de
incertidumbre empleando la protección tipo «ia».
5.16.2. Termorresistencias
Lo expuesto anteriormente en el caso de termopares es igualmente válido para ter-
morresistencias, en cuanto se refiere a zonas de clasificación.
Un termómetro de resistencia está reconocido como «aparato simple», por lo que
puede ser utilizado en cualquier lugar sin necesidad de estar certificado, a pesar de
tener un circuito de alimentación eléctrica externa.
5.17. Operaciones de mantenimiento
Cuando un equipo o instrumento se quita de servicio, surge la pregunta: ¿qué hacer
con los hilos que quedan desconectados?
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS160
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 160
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
Los extremos situados en el área peligrosa deben ser claramente identificados y
conectados en un bloque de terminales para evitar que los hilos se deriven a tierra. Si
no existe bloque de terminales, los hilos deben ser encintados individualmente.
También se deben tomar precauciones para estar seguro de que los extremos del
cable no están expuestos a deterioros mecánicos y están protegidos de los fenómenos
climáticos.
El extremo situado en zona segura, si está desconectado, debe estar claramente
identificado y los hilos unidos en cortocircuito y conectados al sistema de tierra de segu-
ridad si existe. Si no existe tierra de seguridad deben ser cortocircuitados y permanecer
flotantes si la instalación va a estar fuera de servicio durante un corto periodo de tiempo.
Si el cable no va a ser utilizado durante bastantes horas, debe encontrarse una tie-
rra de seguridad y conectarlo a ella después de cortocircuitarlo.
Pueden existir circuitos que sufran daños al utilizar esta técnica. En estos casos se
deben seguir las instrucciones escritas del fabricante. Estas deben tener prioridad
sobre las aquí mencionadas.
5.18. Directivas ATEX
La directiva ATEX (proviene del francés ATmospheres EXplosibles) tiene por
objeto garantizar la libre circulación de los productos afectados en todo el territorio de
la Unión Europea, así como establecer una directiva única para equipos de minas y
superficie. Existen dos directivas:
• 94/9/CE. ATEX 95 (Anteriormente ATEX 100). Contempla aspectos para equi-
pos eléctricos y no eléctricos para su utilización en áreas peligrosas. Esta direc-
tiva define la categoría de los equipos, con diferentes niveles de protección, prin-
cipalmente los requerimientos de seguridad, así como la valoración de los
procedimientos para estos equipos. Realmente es una directiva encaminada a
proporcionar los requisitos que deben cumplir los equipos, por tanto encamina-
da a los proveedores.
• 1999/92/CE ATEX 137. Proporciona la regulación para los usuarios de plantas
con áreas peligrosas. Define la clasificación de zonas con riesgo de explosión y
asigna la categoría a los equipos. Esta directiva va encaminada a detallar las obli-
gaciones de las empresas, las cuales han de fijar los requisitos mínimos para
mejorar la higiene y la seguridad de quienes trabajan en atmósferas potencial-
mente explosivas.
5.18.1. Clasificación de grupos y temperaturas
Los gases se clasifican en dos grupos de explosión en función de si se trata de un
trabajo de superficie o subterráneo, tal como se ha explicado en el apartado 5.5.
• Grupo I. Material eléctrico destinado a minas con grisú.
• Grupo II. Material eléctrico destinado a lugares sometidos a ambientes explosi-
vos en industrias de superficie.
161
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 161
A su vez, este grupo se subdivide en IIA, IIB y IIC. Al ir aumentando el nivel de
protección, el grupo IIC será apto para aplicaciones clasificadas como IIB ó IIA.
De igual manera el IIB es válido para aplicaciones IIA.
La tabla siguiente muestra algunos ejemplos de pertenencia de mezclas gaseosas a
estos grupos. En esta tabla también aparece la clasificación de temperatura que se debe
utilizar. La temperatura de inflamación que aparece corresponde a la de una superficie
caliente a partir de la cual se puede producir la inflamación de la mezcla gaseosa.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS162
Temp. inflamación Clasificación de temperatura
Grupo Gas °C T1 T2 T3 T4 T5 T6
I Metano (Grisú) No aplica
Acetona 540
Amoniaco 630
A Etano 515 X
Metano (CH4) 595
Propano 470
n-butano 365 X
II n-hexano X
Éter etílico 170 X
Nitrito de etilo 90 X
B Etileno 425 X
Sulfuro de hidrógeno 270 X
C Acetileno 305 X
Sulfuro de carbono 102 X
Hidrógeno 560 X
Como ha sido explicado en el apartado 5.6, la clasificación de temperaturas se basa
en la máxima que puede haber sobre una superficie y es capaz de provocar la inflama-
ción de la atmósfera que la rodea. Concretamente para el grupo II deben ser clasifica-
dos y marcados los aparatos de acuerdo a la tabla siguiente.
Temperatura máxima Temperatura 
Clase de superficie °C de inflamación °C
T1 450 > 450
T2 300 > 300
T3 200 > 200
T4 135 > 135
T5 100 > 100
T6 85 > 85
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 162
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
5.18.2. Clasificación de zonas
Se fija en la directiva 1999/92/CE. Obliga a las empresas a clasificar los lugares de
trabajo en zonas dependiendo de la frecuencia y duración con que se produce una atmós-
fera explosiva. Por exclusión se consideran zonas sin riesgo, o seguras, aquellas en las que
no se van a formar atmósferas explosivas. Según se ha visto en el apartado 5.4, se consi-
deran tres zonas de riesgo, las cuales se dividen a su vez en dos grupos dependiendo de si
la zona está afectada por gases (G) o polvo (Dust) combustible. La tabla siguiente muestra
las características de cada una de estas zonas, y en ella también se incluye la categoría
fijada en la directiva 94/9/CE (ATEX 95). Igual que ocurre con los grupos, las categorías
de más alto nivel pueden ser utilizadas en niveles inferiores. Por ejemplo, la categoría 1
puede ser utilizada en las zonas 2 y 3.
163
Zona Categoría Presencia de ambiente explosivo
0 1 G 
Permanente, frecuente o durante largos periodos de
20 1 D 
tiempo.
Como referencia, más de 1.000 h/año.
1 2 G Intermitente o probable en servicio normal. 
21 2 D Como referencia entre 10 y 1.000 h/año.
2 3 G Episódico o durante cortos periodos de tiempo.
22 3 D Como referencia, menos de 10 h/año.
Además de las categorías referenciadas existen otras dos aplicables a trabajos en
minas o subterráneos:
• M1. Comparable a las zonas 0 y 1.
• M2. Comparable a la zona 2.
5.18.3. Modos de protección
Los modos de protección han sido explicados con detalle en el apartado 5.7, por lo
que aquí solo se van a referenciar para facilidad a la hora de revisar el marcado de los
instrumentos.
En la tabla siguiente se muestran los diferentes modos de protección.
Marca Tipo deprotección
o. Inmersión en aceite
p. Presurización
q. Relleno de polvo
d. Antideflagrante
e. Seguridad aumentada
Marca Tipo de protección
ia. Intrínsecamente seguro (Zona 0)
ib. Intrínsecamente seguro (Zonas 1 y 2)
m. Encapsulación
s. Protección especial
c. Seguridad en la construcción de 
material no eléctrico
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 163
5.18.4. Organismos para normalización
Existen diversos organismos relacionados con la normalización para material eléc-
trico y no eléctrico en el ámbito de la Unión Europea, entre los que se deben citar:
• CEI. Comisión Electrotécnica Internacional. Está compuesta por comités nacionales
y tiene por objeto «favorecer la cooperación internacional para todas las cuestiones
de normalización y todas las cuestiones relacionadas, como la certificación en los
campos de la electricidad y de la electrónica, y así, promover los cambios internacio-
nales». Colabora con la Organización Internacional de Normalización (ISO).
• CENELEC. Comité Europeo de Normalización Electrotécnica. Organización técni-
ca compuesta por comités electrotécnicos nacionales. Su función principal es la de
armonizar las normas en los países miembros, creando una norma europea (EN).
Como ejemplo, la norma CENELEC EN 50014 («Requerimientos Generales»),
para el material situado en ambientes explosivos, fue publicada en 1977.
• CEN. Comité Europeo de Normalización. Dedicado al campo de la normaliza-
ción no electrotécnica, organiza las relaciones entre gobiernos, fabricantes, usua-
rios, sindicatos, etc. Fruto de este comité es, por ejemplo, la norma EN 13463
relacionada con aparatos no eléctricos.
Las directivas ATEX obligan a que los instrumentos y equipos dispongan de una
certificación expedida por un organismo homologado y reconocido por todos los esta-
dos de la Unión Europea. En el marcado de los equipos debe aparecer el número que
identifica al organismo que ha otorgado el certificado. La tabla siguiente muestra algu-
nos de estos organismos.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS164
País Organismo homologado para expedir certificados
Alemania PTB Physikalisch Technische Bundesanstalt 102
Dinamarca DEMKO Danmarks Elektriske Materielkontrol 539
España LOM Laboratorio Oficial Madariaga 163
Francia LCIE Laboratoire Central des Industries Electriques 81
Italia CESI Centro Electrotécnico Sperimentale Italiano 722
Reino BASEEFA British Approval Service for Electrical Equipment 
Unido in Flammable Atmospheres 1180
Suiza SEV Swiss Electrotechnical Association 1258
5.18.5. Ambientes polvorientos
Los fabricantes de equipos, o elementos, para instalar en áreas donde pueda existir
atmósfera potencialmente explosiva a causa de polvo combustible, deben indicar la
máxima temperatura superficial de todos los elementos que puedan estar situados en
este ambiente polvoriento. Normalmente se expresa en grados centígrados y forma
parte del marcado para estos elementos.
Para asignar la temperatura de seguridad del equipo se debe utilizar la mínima
resultante de aplicar los dos límites siguientes:
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 164
PROTECCIÓN EN ATMÓSFERAS PELIGROSAS
• Límite 1 = 2/3 de la temperatura mínima de ignición en nube.
• Límite 2 = Mínima temperatura de ignición en capa menos 75.
Examinando estos dos límites se elige el que proporciona mayor seguridad, es decir,
el de menor valor. El valor de temperatura en capa suele ser para espesores de hasta 5
mm. Como ejemplo se puede ver un caso en el que la temperatura de inflamación en
nube es de 330 °C y en capa 300 °C. Aplicando los conceptos anteriores se tendrá:
• Límite 1 = 2/3 × 330 = 220 °C.
• Límite 2 = 300 – 75 = 225 °C.
La mayor seguridad se establece fijando como límite de temperatura superficial
220 °C, la cual deberá marcarse en la placa de características del equipo.
Queda, por último, la codificación IP para equipos que se encuentren en ambientes
polvorientos. En este caso son aplicables exclusivamente envolventes con protección
IP5X o IP6X. La clasificación ya ha sido tratada en el apartado 5.8, en el que se pue-
den ver las diferentes capacidades de protección frente al ingreso de cuerpos sólidos
(primera cifra) y agua (segunda cifra).
5.18.6. Marcado según ATEX
Una vez vistas las diferentes características o parámetros que identifican un instru-
mento o equipo, se contemplan dos ejemplos de marcado. Según el anexo II de la
directiva 94/9/CE (ATEX 95), cada aparato o sistema de protección deberá presentar,
como mínimo, de forma indeleble y legible, las siguientes indicaciones:
• El nombre y la dirección del fabricante.
• El marcado CE (indicativo de Comunidad Europea).
• La designación de la serie o del tipo.
• El número de serie, si es que existe.
• El año de fabricación.
• El marcado específico de protección contra las explosiones (Ex), seguido del
símbolo del grupo de aparatos y de la categoría.
• Para el grupo de aparatos II, la letra «G» (referente a atmósferas explosivas debi-
das a gases, vapores o nieblas) y/o la letra «D» (referente a atmósferas explosi-
vas debidas a la presencia de polvo).
Por otra parte, y siempre que se considere necesario, deberán asimismo presentar
cualquier indicación que resulte indispensable para una segura utilización del aparato.
De acuerdo a esta directiva, un tipo de marcaje según ATEX 95 para ambiente con
gases es el que aparece a continuación, en donde estan delimitando los datos ATEX y
los de la certificación:
165
ATEX
II 2 Gεx0102 EExd IIC T4
CERTIFICACIÓN
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 165
CE. Conformidad a las directivas europeas.
0102. Número del organismo que otorga el certificado CE (en este caso PTB).
Ex. Marcaje «Epsilon» x para material en atmósferas explosivas.
II. Industrias de superficie.
2 G. Categoría de aparatos (en este caso para gases en zona 1).
EExd. Antideflagrante según normalización europea.
IIC Apto para gases del tipo acetileno o hidrógeno.
T4. Máxima temperatura superficial de 135 °C.
Otro tipo de marcaje puede ser el siguiente para equipos en ambiente polvoriento:
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS166
ATEX
II 2 Gεx0081 IP65 T135 ºC
CERTIFICACIÓN
CE. Conformidad a las directivas europeas.
0081. Número del organismo que otorga el certificado CE (en este caso LCIE).
Ex. Marcaje «Epsilon» x para material en atmósferas explosivas.
II. Industrias de superficie.
2 D. Categoría de aparatos (en este caso para ambiente polvoriento en zona 1).
IP65. Envolvente protegida frente a penetración de polvo y mangueras de agua.
T135 °C. Máxima temperatura superficial.
Además de este marcado, deben aparecer otra serie de datos como nombre y direc-
ción del fabricante, número de serie, etc., según indica la directiva 94/9/CE.
Bibliografía
Diario Oficial de las Comunidades Europeas.
Directiva 94/9/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de Marzo de 1994
relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre apa-
ratos y sistemas de protección para uso en atmósferas potencialmente explosivas.
Ministerio de Industria y Energía.
Real Decreto 400/1996 de 1 de marzo por el que se dictan las disposiciones de apli-
cación de la Directiva del Parlamento Europeo y del Consejo 94/8/CE, relativa a los
aparatos y sistemas de protección para uso en atmósferas potencialmente explosivas.
Diario Oficial de las Comunidades Europeas.
Directiva 1999/92/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 16 de Diciembre
de 1999 relativa a las disposiciones mínimas para la mejora de la protección de la
salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos derivados de
atmósferas explosivas.
Catálogos de diferentes fabricantes de instrumentos y equipos.
05 capitulo 05 ok 2/10/06 11:13 Página 166
Alimentaciones neumáticas 
y eléctricas
6.1. Introducción
En este capítulo se van a contemplar aspectos prácticos relacionados con los cir-
cuitos de alimentación de aire a los instrumentos que lo requieran, así como circuitos
eléctricos utilizados en los sistemasde control.
A pesar de los avances tecnológicos alcanzados en los sistemas, la mayor parte de
los elementos finales de control se accionan por medio de aire modulado. Válvulas
automáticas, actuadores neumáticos, etc., necesitan como fuente de energía para su
movimiento el aire llamado de instrumentos. 
Por otro lado, los sistemas basados en microprocesadores tienen como entradas
señales eléctricas, convertidas en el propio sistema a señales digitales para después
volver a convertirlas a señales analógicas eléctricas a la salida hacia los elementos
finales de control.
En instalaciones pequeñas, o localizadas en emplazamientos aislados, suelen utili-
zarse actuadores accionados eléctricamente, por ejemplo válvulas motorizadas. En
otros casos se utilizan fluidos hidráulicos para el accionamiento de grandes actuadores,
por ejemplo para mover las válvulas que accionan ciertos compresores. Sin embargo,
la mayor parte de los elementos finales de control se accionan neumáticamente.
Por estas razones es conveniente conocer cómo actúan los circuitos de alimen-
tación neumáticos y eléctricos dentro del campo de instrumentación y control de
procesos.
6.2. Aire de instrumentos
Para empezar es necesario mencionar que cualquier instalación donde se utiliza
aire de instrumentos requiere que este sea aceptablemente puro, es decir, sin contami-
nantes que puedan perjudicar el correcto funcionamiento de los instrumentos.
Entre los principales contaminantes se tiene: humedad, aceite, sólidos en suspen-
sión y óxido de las propias conducciones. Descartando el aceite que puede provenir
de un mantenimiento inadecuado del compresor cuando este es lubricado, los conta-
6
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 167
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS168
minantes provienen del ambiente que existe donde aspira el compresor, así como de la
corrosión que se produce en las tuberías de conducción.
El aire en la atmósfera contiene una cierta cantidad de humedad. Cuando se com-
prime el aire disminuye la solubilidad del agua en el aire, produciéndose la condensa-
ción de la misma. Esto hace que se precisen sistemas deshidratadores o secadores de
aire para que este llegue seco a los instrumentos.
6.2.1. Especificación del aire de instrumentos
Los instrumentos suelen operar en el rango de 3 a 15 PSI (Pound per Square Inch),
por lo que generalmente los instrumentos requieren ser alimentados con aire a una
presión de 20 PSI, aproximadamente 1,4 kg/cm2 (20 PSI × 0,07 kg/cm2/PSI). A veces
el rango de actuación es superior a las 3 a 15 PSI necesitando una presión mayor de
alimentación. Por último, existen actuadores que necesitan presiones de 3 ó 4 kg/cm2
para su correcto funcionamiento. Como consecuencia, el colector de aire de instru-
mentos suele estar presurizado a un valor de 6 ó 7 kg/cm2.
Con respecto a la humedad, es conveniente que el punto de rocío del aire en el
punto de entrada al colector de alimentación sea como mínimo 20 °C inferior a la tem-
peratura mínima de la zona. Como se sabe, el punto de rocío corresponde a la tempe-
ratura a la que enfriando el aire condensa el agua, por lo que cuanto menor sea el pun-
to de rocío menor cantidad de agua quedará por condensar, proporcionando un aire
más seco en el colector. Generalmente el punto de rocío suele estar comprendido entre
–10 y –20 °C a la presión del colector.
Es muy importante reducir el punto de rocío del aire antes de su distribución, es
decir, antes de reducir la presión. En caso contrario se condensará agua en los elemen-
tos reductores de presión colocados junto a los instrumentos, puesto que al reducir la
presión disminuye la temperatura. Una vez que se forma agua esta no vuelve a evapo-
rarse, circula por las tuberías con el consecuente problema que esto ocasiona a largo
plazo debido a la corrosión.
Cuando se produce condensación en los elementos reductores de presión y la tem-
peratura ambiente es muy fría, por ejemplo en ciertos momentos del invierno, pueden
llegar a dejar de funcionar los instrumentos al formarse hielo en el reductor, impidien-
do que circule el aire.
Otras veces pueden producirse tapones de agua en los puntos bajos de los colecto-
res de alimentación, provocando golpes de ariete que a su vez pueden desprender óxi-
do de las tuberías.
Como resumen se puede decir que la humedad es el mayor contaminante del aire
de instrumentos y, por tanto, será necesario eliminar la mayor cantidad posible de ella
antes de enviar el aire a los colectores de distribución.
6.2.2. Sistema de suministro de aire
Las principales funciones de un sistema de suministro de aire son las de compri-
mirlo a una presión relativamente alta, almacenarlo en un recipiente pulmón y enviar-
lo limpio y seco a la presión necesaria en cada caso.
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 168
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
Se pueden distinguir dos tipos de sistemas de distribución según se trate de pequeñas
instalaciones, que pueden ser incluso portátiles, o grandes instalaciones industriales.
La Figura 6.1 muestra un esquema para suministro de aire en pequeñas cantidades.
De todos es conocido el compresor que se utiliza para pintar a pistola, o bien el com-
presor que se utiliza en obras para alimentar de aire los martillos perforadores. Se tra-
ta de un compresor accionado por un motor eléctrico, o de gasóleo, que comprime el
aire aspirado de la atmósfera y lo almacena en un depósito pulmón para obtener una
mayor autonomía. 
Con objeto de mantener la presión en un valor determinado dispone de un presostato
que se acciona al alcanzar la máxima presión que se quiere obtener, parando el motor. El
169
Atm.
Filtro
PSH
Suministro de aire
Purga
Depósito
pulmón
Figura 6.1
Atm.
Depósito
pulmónAtm.
Purga
Válvula de
seguridad
Agua de refrigeración
Secador en
servicio
1
PC
Suministro de aire
seco a instrumentos
Compresores
Válvulas de
 retención
Enfriador
Secador en
regeneración
2
PC
Suministro de aire
sin secar a planta
Figura 6.2
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 169
motor se vuelve a poner en marcha cuando la presión disminuye y alcanza el valor dife-
rencial calibrado en el presostato. Por ejemplo, si la presión diferencial del presostato es
de 1 kg/cm2 y su valor de disparo por alta presión es de 7 kg/cm2, la presión en el depó-
sito pulmón se mantendrá entre 7 y 6 kg/cm2 arrancando y parando el motor. Como es
lógico, el número de veces que arranca y para el motor dependerá del consumo de aire.
El sistema dispone además de un filtro donde se deposita parte del agua proceden-
te de la humedad ambiente, así como trazas de aceite procedentes del sistema de lubri-
cación del compresor.
La Figura 6.2 muestra, de forma simplificada, un sistema de suministro de aire en
plantas industriales. Las diferentes operaciones que se realizan son las siguientes:
• Compresión del aire aspirado de la atmósfera.
• Refrigeración del aire comprimido.
• Almacenamiento de aire a alta presión.
• Secado para eliminar humedad del aire de instrumentos.
• Distribución a una presión prefijada.
El comportamiento del sistema de control se verá más adelante.
6.2.2.1. Aspiración de aire
Por lo que respecta a la aspiración de aire procedente de la atmósfera, es conve-
niente saber que el punto de toma debe estar alejado de lugares donde exista polvo en
suspensión, posibles fugas de vapor, humedad ocasionada por torres de refrigeración,
salidas de humos de chimeneas o cualquier otro tipo de contaminación.
Si el punto de aspiración está situado en un lugar con excesiva humedad ambiente
se producirá mucho condensado, reduciendo el tiempo de servicio de los secadores
con el consiguiente gasto en regeneración.
Teniendo en cuenta que el compresor mueve masa de aire, cuanto más frío sea este
en la aspiración mejor será el rendimiento del compresor. A presión constante la den-
sidad es inversamente proporcional a la temperatura, de acuerdo a la fórmula que se
muestra a continuación, por lo que a temperatura más baja de aspiraciónaumentará el
volumen de aire suministrado. 
d =
Vamos a suponer un ejemplo utilizando dos temperaturas de aspiración, 10 y 30 °C.
Sabiendo que el peso molecular del aire es 28,9 kg/kmol, y suponiendo un factor de
compresibilidad (Z) igual a la unidad, la densidad del aire a la presión atmosférica será:
d10 = = 1,24 kg/m3
d30 = = 1,16 kg/m
3
28,9 × 1
���
0,082 × (30 + 273)
28,9 × 1
���
0,082 × (10 + 273)
Pm × Pabs
���
0,082 × Z × (T + 273)
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS170
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 170
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
Para la misma masa de aire impulsada, el rendimiento aumentará aproximadamen-
te 6,5 % al disminuir la temperatura desde 30 hasta 10 °C. Por esta razón es conve-
niente que no existan corrientes de aire caliente en el punto de aspiración.
Por otro lado es necesario disponer de filtros en la entrada de aire para eliminar
partículas en suspensión que puedan dañar al propio compresor ocasionando desgaste
en sus partes internas. Estos filtros deberán limpiarse periódicamente.
6.2.2.2. Compresión
En este apartado se contempla el caso en el que existe gran demanda de aire, por
lo que los conceptos que se mencionan puede que no sean totalmente aplicables en
aquellos casos en que el consumo es pequeño.
Después de filtrar el aire, la siguiente fase es la de comprimirlo a una cierta pre-
sión, para lo cual es necesario disponer de compresores. El sistema de control puede
ser diseñado para obtener diferentes prestaciones, más o menos sofisticadas, pero ante
todo hay que tener en cuenta conceptos como los que se detallan a continuación:
• Generalmente se utilizan varios compresores centrífugos conectados en paralelo
para abastecer de aire a los diferentes consumidores. En algunos casos existen
compresores conectados en paralelo pero a gran distancia, por ejemplo en los
extremos del colector general.
• El aire se suele comprimir a una presión más alta que la existente en el colector
de distribución, por lo que no es excesivamente crítico este valor. Normalmente
se suele fijar alrededor de 7 kg/cm2 la presión de descarga de los compresores.
• La capacidad de los colectores de distribución suele ser tan grande que un solo
compresor no es capaz de modificar grandemente la presión de estos colectores.
En cualquier industria con varias unidades de proceso es normal que el colector
tenga varios kilómetros de longitud, formado por tuberías de diferentes diámetros.
• En muchos casos los compresores suministran aire, tanto para instrumentos como
para planta. La diferencia está en el secado necesario para el de instrumentos.
• La presión necesaria en los elementos de consumo, tales como válvulas automá-
ticas, convertidores, etc., suele ser de 20 PSI (aproximadamente 1,4 kg/cm2).
Algunos elementos tales como servoactuadores pueden necesitar presiones más
altas, por ejemplo 4 kg/cm2. Esto hace que la presión en el colector no sea exce-
sivamente crítica, debiendo cumplir solamente que sea superior a la mínima
necesaria por el elemento que necesite mayor presión de alimentación.
Como consecuencia de lo descrito anteriormente se deduce que el sistema de con-
trol no necesita excesiva complicación; debe cumplir fundamentalmente la condición
de ser robusto desde el punto de vista de control básico y fácil de operar.
La Figura 6.3 muestra un ejemplo simple de acoplamiento de dos compresores,
uno de ellos accionado por motor eléctrico y otro por medio de una turbina de vapor
para evitar que ante fallo de energía eléctrica se deje de suministrar aire. Cada com-
presor dispone de dos etapas con refrigeración por agua en la impulsión de cada una
de ellas, para eliminar parte del calor que se produce en la compresión. En la línea de
impulsión existe una válvula de retención para evitar que se descargue el colector a
través del propio compresor si este se encuentra parado. 
171
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 171
Ambos compresores disponen del mismo sistema de alarmas y control, el cual se
compone de dos válvulas automáticas situadas en la aspiración y la descarga y cuyo
comportamiento básico es el siguiente:
• Válvula de aspiración. Desde un punto de vista teórico tiene por objeto com-
pensar las variaciones de temperatura y presión existentes a la entrada del
compresor para obtener una densidad del aire lo más constante posible. En la
práctica suele fijarse en una posición y mantenerla en esa posición, con valo-
res comprendidos entre 30 y 80 % de apertura. Por esta razón aparece la esta-
ción de control manual HC-1 para accionar esta válvula. El cierre de esta vál-
vula ocasiona depresión en la entrada al compresor, haciendo que entre en
bombeo, por lo que se debe limitar la apertura mínima a un valor que evite esta
situación.
• Válvula de descarga. Tiene por objeto mantener la presión de impulsión cons-
tante, desalojando a la atmósfera el exceso de caudal. Normalmente se fija el
punto de consigna del controlador PC-1 por encima del valor a mantener en el
colector de aire. Cuando el consumo es inferior al suministrado por el compre-
sor, se abre la válvula desalojando aire a la atmósfera, permaneciendo cerrada el
resto del tiempo. Esta válvula también se utiliza para evitar que el compresor se
encuentre en situación de bombeo cuando el caudal a suministrar sea excesiva-
mente bajo.
• Sistema de alarmas. Aunque no aparecen en la Figura 6.3, cada compresor debe
disponer de un sistema de alarmas y elementos que ocasionen la parada del com-
presor ante fallos tales como:
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS172
Atm.
1 B
PCSegunda etapaPrimera etapa
Atm.
Compresor de dos etapass
 accionado por turbina
1 B
HC
Atm.
1 A
PCSegunda etapaPrimera etapa
Atm.
Compresor de dos etapass
 accionado por motor
1 A
HC
Colector
de aire al
depósito
pulmón
Enfriadores con agua
Figura 6.3
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 172
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
— Alta temperatura del aceite de lubricación.
— Alta temperatura del aire interetapas.
— Baja presión en el aceite de lubricación.
— Vibraciones.
• Puesta en marcha. Tanto si se realiza de forma manual como automática, la
puesta en marcha de cualquiera de estos compresores se debe realizar con la vál-
vula de descarga abierta y la válvula de aspiración en un valor alrededor de 50
%. Esto hace que el par de arranque necesario por el motor o la turbina sea lo
más pequeño posible. Una vez arrancado el compresor se puede cerrar la válvu-
la de descarga, modificando la de aspiración para adaptarla a las necesidades de
consumo.
6.2.2.3. Protección antibombeo
Anteriormente se ha mencionado que existen una serie de elementos que indican
situaciones de alarma como primer paso y posterior parada del compresor a otro valor
más restrictivo si la condición insegura permanece. 
Además de las protecciones mencionadas existe otra que hace abrir la válvula de
descarga cuando se detecta condición de bombeo. El bombeo es una característica de
los compresores centrífugos que se ocasiona cuando la presión de descarga es inferior
a la existente en el colector. Esto hace que se produzca la inversión momentánea del
sentido de flujo en el compresor, el cual intenta de nuevo la compresión, repitiéndose
el ciclo de inversión. Esta condición, también conocida como surge o bombeo límite,
puede producir daños mecánicos importantes, y debe ser eliminada.
Para grandes compresores industriales existen diversos sistemas de protección
antibombeo. En este caso se va a contemplar uno muy simple, cuya principal particu-
laridad se encuentra en que no se adelanta a la situación de bombeo sino que necesita
que se produzca la primera inversión del sentido de flujo para llevar a cabo la acción
de protección. Este hecho se detecta por medio del presostato diferencial PdS-2 situa-
do en la línea de impulsión.
173
1
FC
Colector de aire
Atmósfera
1
PC
2
PdS
Atm.
1
PY
1
HC
Circuito
antibombeo
Control aspiración
 f (demanda)
 Control
impulsión
Alimentacióneléctrica
SOV-1
FA
Posición
en
bombeo
Figura 6.4
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 173
La Figura 6.4 muestra un esquema en el que aparece la protección antibombeo por
medio de la electroválvula de tres vías SOV-1. En condiciones normales se encuentra
energizada, permitiendo el paso de aire desde el convertidor PY-1 hasta la válvula
automática, mientras que la vía de descarga a la atmósfera se encuentra cerrada.
Cuando el PdS-2 detecta la situación de bombeo se bloquea la vía de comunicación
entre la válvula y el convertidor PY-1 y se abre la vía que descarga a la atmósfera,
como aparece en el extremo superior de la Figura 6.4. Esto hace que todo el aire exis-
tente en la cabeza de la válvula automática se descargue a la atmósfera y, como la vál-
vula automática está construida como fallo abre (FA), se producirá su apertura, con lo
que enviará todo el caudal de impulsión del compresor a la atmósfera y eliminará la
situación de bombeo.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS174
PdS
+
_
110 Vcc
 Válvula
de aguja
Relé R
Rearme
R1
R2
SOV - 1
Lí
ne
a 
de
 p
ro
ce
so
Figura 6.5
La Figura 6.5 muestra el circuito de proceso y eléctrico del sistema de protección
de bombeo mencionado anteriormente. Desde el punto de vista de proceso está forma-
do por un presostato diferencial colocado en la línea de impulsión del compresor, en
el que se ha colocado una válvula de aguja en la conexión considerada positiva. Esta
válvula actúa como una restricción al paso de aire de forma que, ante variaciones en
la presión de impulsión, la entrada negativa recibirá ese cambio inmediatamente,
mientras que la rama positiva lo recibirá al cabo de un tiempo que dependerá de la
apertura de la válvula. Realmente se trata de un retardo de primer orden que hace que
el sistema tenga el siguiente comportamiento:
• Situación normal. Cuando la operación del compresor es estable, tanto la
entrada positiva como la negativa al presostato tendrán la misma presión,
haciendo que el contacto eléctrico se encuentre abierto y el relé R desenergi-
zado. Como consecuencia, se encontrará energizada la electroválvula a través
del contacto R2 del relé R, permitiendo el paso de aire desde el convertidor a
la válvula automática.
• Situación de bombeo. Al producirse la primera inversión del sentido de flujo, la
presión en la entrada negativa al presostato disminuirá inmediatamente, mien-
tras que la entrada positiva permanecerá con la misma presión en el primer
momento de la inversión. Esto hace que se desequilibre el sistema de actuación
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 174
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
del presostato, se cierre su contacto y energice al relé R. Esto provoca la apertu-
ra del contacto R2 y, por tanto, la apertura de la válvula automática a través de la
electroválvula.
En la Figura 6.5 se ha representado el circuito eléctrico, el cual puede considerarse
igual al que se describe en el apartado de circuitos con realimentación del capítulo
correspondiente a circuitos lógicos.
En condiciones normales de operación el contacto PdS se encuentra abierto, así
como el contacto R1 procedente del relé R. La electroválvula se encuentra activada a
través del contacto R2, que en condiciones normales está cerrado. Cuando se cierra el
PdS se energiza el relé, permaneciendo en esta situación enclavado por medio del con-
tacto R1. Esta situación permanece hasta que manualmente se desenclave el circuito
por el operador del compresor, pulsando el rearme, para que el sistema vuelva a la
situación original.
6.2.2.4. Almacenamiento y distribución
Con objeto de mantener más estable la presión en el colector de aire y disponer de
una cierta capacidad de almacenamiento se dispone de un depósito pulmón al que lle-
ga el aire suministrado por los compresores. Desde este depósito se efectúa la distri-
bución a dos grandes colectores, uno de ellos el de aire de instrumentos, pasando pre-
viamente por un sistema de secado que se verá posteriormente, y otro al colector de
aire de planta para uso general, por lo cual no es necesario que pase a través de los
secadores.
La Figura 6.6 muestra el sistema de control básico de un sistema de almacenamien-
to como el descrito anteriormente. El depósito pulmón dispone de una válvula de segu-
ridad para proteger los equipos desde el punto de vista de resistencia mecánica. Como
se puede ver, existen dos controladores de presión con puntos de consigna diferentes. 
Al controlador PC-1, instalado en la línea de envío a secadores y posteriormente al
colector de aire para instrumentos, se le fija el punto de consigna al valor deseado
175
Purga
2
PC
1
PC
De los
compresores
Suministro de aire sin secar a planta
1
F I
A los
secadores
2
F I
5,5 a 7 Kg/cm2
5,5 Kg/cm2
3
PAL
Figura 6.6
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 175
como presión en el colector. La toma de presión se encuentra en el propio colector,
con objeto de mantener constante la presión en el mismo. De esta manera la válvula
automática abrirá lo necesario para mantener la presión fijada. Manteniendo esta vál-
vula totalmente abierta la presión en el colector dependerá de la presión controlada en
la impulsión de los compresores.
El controlador para suministro de aire de planta tiene un valor de consigna más
bajo; la toma de presión está situada en la línea de salida del depósito, antes de la vál-
vula automática. Esta configuración permite que pueda salir aire al colector de planta
solamente cuando la presión esté por encima del valor mínimo admisible para el aire
de instrumentos. Cuando la presión alcanza el valor fijado en el controlador PC-2 se
cierra la válvula automática correspondiente, protegiendo el suministro de aire de ins-
trumentos.
Además de los lazos de control se incluyen las medidas de caudal en cada uno de
los colectores y una alarma de presión en el colector de aire de instrumentos, con obje-
to de avisar al operador si por alguna circunstancia disminuye la presión en el colector
por debajo de un valor considerado límite para el funcionamiento de los instrumentos.
6.2.2.5. Secado del aire
Antes de pasar el aire al colector es necesario someterlo a un proceso de secado,
para lo cual se suele utilizar un conjunto de prefiltro con purga automática, secador y
postfiltro. La situación de este conjunto debe ser posterior a la compresión porque a
mayor presión es necesario utilizar menor cantidad de producto desecante. Si se colo-
cara en el lado de aspiración del compresor, además de utilizar más cantidad de dese-
cante, se perdería efectividad en el secado.
La Figura 6.7 muestra el diagrama de bloques de un conjunto típico de elementos
para secado de aire. El prefiltro tiene por objeto separar el agua que se forma al compri-
mir el aire procedente de la atmósfera, y dispone de un sistema de purga automática
cuya descarga dependerá de la cantidad de condensado que se forme. Por otro lado, en
el prefiltro se efectúa la primera retención de partículas que arrastra el aire y se eliminan
partículas de tamaño superior a 10 ó 15 micras. Después de pasar el aire por el secador
llega a un postfiltro que se utiliza para dar el tratamiento final al aire, eliminando partí-
culas superiores a 1 micra y humedad residual, de forma que el punto de rocío final des-
pués de todo el proceso de secado se encuentre en el valor fijado por la especificación.
Aunque existen secadores de una sola columna, en la industria es normal que exis-
tan dos para alternar el secado y la regeneración entre ellas. El sistema de operación
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS176
Purgador
automático
P
re
fil
tr
o
P
os
tfi
ltr
o
Secador
Figura 6.7
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 176
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
puede ser manual, semiautomático o automático; el sistema automático es el más uti-
lizado por no necesitar atención continua del operador. 
Por último se ha de mencionar que los secadores pueden ser de ciclo corto o largo
para efectuar el cambio, debiendotener en cuenta que a mayor tiempo de ciclo mayor
tamaño del secador, por lo que suele ser habitual tener ciclos de secado de pocos
minutos, al cabo de los cuales la columna que se encuentra en secado pasa a regenera-
ción y viceversa.
El aire al entrar en contacto con un material higroscópico cede a este la mayor par-
te del vapor de agua que contiene, por el efecto conocido como adsorción, por lo cual
es necesario regenerar de nuevo el desecante. Existen diversos métodos para efectuar
la regeneración del producto desecante, por ejemplo por calentamiento del material
higroscópico hasta que se evapore toda la humedad adsorbida. Otro método se basa en
lo que se denomina regeneración sin calor, haciendo pasar una corriente de aire seco a
presión atmosférica que hace vaporizar el agua retenida por el material higroscópico
sin necesidad de calentarlo. En cualquier caso no se trata en este punto de hacer una
descripción del proceso sino de su control, el cual suele diferenciarse poco de unos
sistemas a otros, puesto que se trata de control secuencial. 
La Figura 6.8 muestra los elementos básicos necesarios por el sistema de control.
No aparece el programador secuencial, aunque la función de este es la de energizar y
desenergizar las electroválvulas SOV-1 a SOV-4 que hacen abrir o cerrar las válvulas
correspondientes a las entradas y salidas de aire de ambas columnas secadoras. 
En la Figura 6.8 el aire procedente de los compresores pasa a través de la válvula
XV-3, que se encuentra abierta por estar desenergizada la electroválvula SOV-3, lle-
177
S
ec
ad
or
 e
n
se
rv
ic
io
S
ec
ad
or
 e
n
re
ge
ne
ra
ci
ón
Purga
Aire húmedo de los compresores
Purga
Atm.
SOV-2
Atm.
SOV-1
Venteo
Aire seco al colector
Atm.
SOV-4
Atm.
SOV-3
A.I.
A.I.
Aire para
regeneración
XV-3
XV-1 XV-2
XV-4
Figura 6.8
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 177
ga al secador que se encuentra en servicio y sale al colector de aire seco por ser el
único camino posible, puesto que la válvula XV-1 se encuentra cerrada. Al mismo
tiempo una pequeña parte de aire seco procedente del secador que se encuentra en
servicio pasa al secador en regeneración, saliendo hacia el venteo a través de la vál-
vula XV-2 que se encuentra abierta y es el único camino al estar cerrada la XV-4. Al
cabo del tiempo programado se invertirá el ciclo, haciendo que las válvulas cerradas
se abran y las abiertas se cierren. Lógicamente esta operación de apertura y cierre
debe efectuarse en la secuencia adecuada para que no se corte el suministro de aire al
colector.
Dependiendo del tamaño de los secadores, así como del consumo, los ciclos de
secado y regeneración pueden oscilar entre unos pocos minutos hasta varias horas.
6.2.2.6. Ejemplo de consumidor de aire
Como se ha mencionado anteriormente, la presión en el colector de aire puede
oscilar entre 5 y 7 kg/cm2 sin que por ello dejen de funcionar los instrumentos.
También se ha comentado que los instrumentos neumáticos generalmente necesitan
para su funcionamiento una presión de alimentación de 1,4 kg/cm2 (20 PSI). Como
consecuencia será necesario instalar un reductor de presión junto a cada instrumento
consumidor de aire.
La Figura 6.9 muestra, como ejemplo, el diagrama de conexionado de un converti-
dor electro-neumático colocado antes de una válvula automática. Como se puede ver,
partiendo del colector de aire se instala un filtro reductor de presión aislado por medio
de una válvula para poder independizar el convertidor en caso de tener que efectuar
tareas de mantenimiento. Es importante que la toma de presión se efectúe en la parte
superior del colector, o al menos en un lateral de la tubería, con objeto de eliminar el
arrastre de posible humedad remanente o suciedad que pueda existir en el colector.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS178
Colector de aire de instrumentos
Convertidor I / P
6 Kg/cm2
1,4 Kg/cm2
Filtro
manorreductor
4 a 20 mA del controlador
3 a 15 PSI a la
válvula automática(20 PSI)
Figura 6.9
En la Figura 6.10 aparece un diagrama con los elementos que componen un deter-
minado tipo de convertidor I/P con el único objeto de hacer comprender su comporta-
miento. Conceptualmente todos estos convertidores tienen un comportamiento simi-
lar, aunque existen diversos tipos en función del fabricante.
La señal eléctrica de 4 a 20 mA procedente del sistema de control se conecta a una
bobina, que se comporta como electroimán, la cual produce un par de fuerza variable
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 178
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
en función de la intensidad de paso. Este par de fuerza hace que se desplace la barra,
que actúa como núcleo del electroimán, hacia arriba o hacia abajo respecto al punto
de apoyo, tapando o descubriendo la tobera, la cual hace aumentar o disminuir la pre-
sión de salida y, al mismo tiempo, realimentar negativamente el sistema por medio del
fuelle de realimentación. De esta forma se consigue equilibrar el conjunto sin que
exista oscilación en la salida.
Un elemento muy importante de este conjunto es el relé neumático, cuya misión
es la de suministrar la salida de 3 a 15 PSI proporcional a la entrada de 4 a 20 mA.
Cuando se acerca o se separa la barra electroimán a la tobera se produce un aumento o
disminución de presión en la cámara C1 debido al paso de aire a través del orificio de
restricción conectado al tubo de alimentación de 20 PSI. Al aumentar la presión en la
cámara C1 también lo hará en la C2 debido al desplazamiento de la membrana que
tapona proporcionalmente el orificio de purga.
En realidad se trata de un amplificador neumático de volumen en el que la peque-
ña cantidad de aire manipulada en la cámara C1 se amplifica en la C2 al no existir en
esta última ninguna restricción al paso de aire de alimentación. Como cualquier ampli-
ficador electrónico, el amplificador neumático también necesita una fuente de energía
que, en este caso, se trata de la alimentación de 20 PSI.
6.3. Alimentación eléctrica
Este apartado no pretende dar normas acerca de sistemas de alimentación eléctri-
ca, protecciones, puestas a tierra, etc., sino fijar conceptos acerca del funcionamiento
de los circuitos que alimentan a los diferentes equipos o instrumentos. En el capítulo
correspondiente a electricidad básica aparecen diagramas unifilares de los circuitos,
por lo que aquí se parte directamente del cuadro de alimentación.
179
4 a 20 mA
N
S
Punto de apoyo
NS
Fuelle de
realimentación
Salida 3 a 15 PSI
Tobera
Alimentación 20 PSI
Membrana
Purga
Restricción
Iman
permanente
C1
C2
Figura 6.10
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 179
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS180
Figura 6.11
Figura 6.12
Figura 6.13
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 180
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
La Figura 6.11 muestra un armario de alimentación típico. En la parte izquierda se
puede ver el frente del mismo, mientras que en la parte derecha se muestra el interior,
donde se encuentran los interruptores magnetotérmicos para protección de circuitos
individuales. En la parte derecha, al estar abierta la puerta, se puede ver la parte trase-
ra de los instrumentos de medida.
La Figura 6.12 muestra un detalle con los indicadores de tensión de suministro, vol-
tímetro en la parte inferior, y amperímetros para medir el consumo en la parte superior.
Por último, la Figura 6.13 muestra un detalle de los interruptores magnetotérmicos
instalados en el interior del armario. Cada circuito debe estar diferenciado para poder
interrumpirlo sin que ello afecte al resto de circuitos, así como debidamente señaliza-
do para evitar errores de manipulación al efectuar tareas de mantenimiento.
6.3.1. Alimentación a los circuitos
En cualquier momento, o lugar, se oye hablar acerca de los conceptos de transmi-
sión de señal con 4 a 20 mA, cajas de unión en campo, fuentes de alimentación, etc., y
parece a veces que se habla en otro idioma. En este apartado se unen todos estos con-
ceptospor medio de esquemas simples que ayuden a comprenderlos. No se tendrán en
cuenta los accesorios que pueden ser introducidos en los circuitos para llevar a cabo
protecciones de seguridad intrínseca, tales como barreras Zener o aisladores galváni-
cos, por otra parte contemplados en el capítulo correspondiente.
Queda decir, antes de continuar, que tampoco se van a contemplar los equipos que se
alimentan directamente del cuadro de alimentaciones. Se trata, por tanto, de comprender
el funcionamiento de los circuitos desde el punto de vista de los sistemas de control.
La Figura 6.14 muestra, de forma simplificada, un diagrama conceptual de distri-
bución de alimentaciones eléctricas. Aparecen dos consumidores directamente a 230
181
CUADRO DE ALIMENTACIONES ELÉCTRICAS A 230 Vca
230 Vca
24 Vcc
230 Vca
24 Vcc
+
_
+
_
LAZO DE
CONTROL
EQUIPO EQUIPO
+_
Figura 6.14
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 181
Vca y dos fuentes para convertir la tensión a 24 Vcc, de donde se alimentarán los com-
ponentes de los sistemas de control, entre los cuales se representa exclusivamente un
lazo, como ejemplo, en el apartado siguiente. Las fuentes se encuentran conectadas en
paralelo para que ante fallo de una de ellas no se queden sin tensión los circuitos de
control. El concepto de redundancia se puede ver en los capítulos correspondientes a
sistemas de control distribuido y controladores lógicos programables.
6.3.2. Recorrido de una señal de control
En la Figura 6.15 aparecen los componentes típicos de un lazo de control. En este
caso, el lazo se compone de un transmisor con indicación local por medio del miliam-
perímetro instalado en serie y la resistencia, también en serie, para provocar la caída
de tensión con la que se alimenta el receptor, el cual puede ser un controlador indivi-
dual o un sistema de control distribuido. Todo el circuito se alimenta de la fuente de
24 Vcc, bien individual o redundante.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS182
TRANSMISOR
FUENTE DE
ALIMENTACIÓN
mA
RECEPTOR
24 Vcc
1 a 5 V
4 a 20 mA
+
_
Figura 6.15
Desde un punto de vista eléctrico el funcionamiento es bastante simple. Todos los
componentes del lazo se encuentran conectados en serie, excepto el receptor, que se
conecta en paralelo con la resistencia de 250 ohmios, la cual convierte la intensidad
de 4 a 20 mA en una tensión de 1 a 5 V de acuerdo a la ley de Ohm.
250 � * 4 mA = 1.000 mV = 1 V
250 � * 20 mA = 5.000 mV = 5 V
El transmisor se comporta realmente como una resistencia variable proporcional
al valor de la variable de proceso que está midiendo. Al transmitir la señal en intensi-
dad se evita la caída de tensión que se produce en los cables, llegando esta señal al
receptor con el mismo valor que tiene a la salida del transmisor.
En la práctica los esquemas que se suelen encontrar son similares al que muestra
la Figura 6.16, en la que se aprecia todo el recorrido de la señal partiendo de la sala de
control, pasando por un multicable, caja de unión en campo, pares individuales desde
la caja hasta el transmisor y el convertidor. Como inicio y final se encuentra, en este
caso, el sistema de control distribuido, el cual incluye las fuentes de alimentación.
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 182
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
6.3.3. Lazo de control
Con objeto de ver el diagrama de cableado completo, la Figura 6.17 muestra un
diagrama en el que aparecen todos los componentes de un lazo de control de caudal.
A la vista de este diagrama se pueden observar conceptos a tener en cuenta en la
instalación de un lazo de control de caudal, por ejemplo:
• El transmisor se encuentra aguas arriba de la válvula automática. De esta mane-
ra la presión en la placa de orificio es constante y no afecta al resultado de la
medida, sobre todo si se trata de gas.
• El indicador local se conecta en serie con el resto del circuito para que la indica-
ción sea la misma en todos los puntos. Como se sabe, la intensidad de paso es
constante en los circuitos serie.
• La resistencia de 250 ohmios se encuentra justo a la entrada del controlador
para evitar el posible error que introduce la caída de tensión en los hilos de
transmisión.
• La intensidad de salida se genera en el circuito de control, partiendo de la ener-
gía que suministra la fuente de alimentación y la proporcionalidad necesaria para
mantener la válvula en la posición correcta que deja pasar el caudal fijado en el
controlador.
• El convertidor I/P convierte la intensidad de 4 a 20 mA en una señal neumática
de 3 a 15 PSI utilizando como fuente de energía la alimentación de aire de ins-
trumentos a 20 PSI de presión. Las señales parten de 3 PSI y 4 mA. Es lo que se
denomina «cero vivo», el cual tiene la ventaja de poder detectar un fallo de señal
cuando esta cae a cero.
El origen del cero vivo se remonta a los inicios de la transmisión de señales neu-
máticas utilizando el conjunto lengüeta-tobera. Después se pasó el mismo concepto
de cero vivo a las señales de transmisión electrónica.
183
+
G
FT 1
+
S
IS
T
E
M
A
 D
E
 C
O
N
T
R
O
L
 
 
 D
IS
T
R
IB
U
ID
O
CAJA EN
 CAMPO
 EDIFICIO
DE CONTROL
TRANSMISOR
PAR
INDIVIDUAL
MULTICABLE
de N pares
TIERRA DE
REFERENCIA
+
G
+
G
Par 1
Par 2FY 1
PANTALLA
INDIVIDUAL
PANTALLA GLOBAL
CONVERTIDOR
Figura 6.16
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 183
Para comprender el origen del cero vivo, la Figura 6.18 muestra un mecanismo
lengüeta-tobera clásico. Cuando la lengüeta se aleja el máximo recorrido permitido,
que suele ser aproximadamente 0,1 mm, la presión en la línea de salida sigue siendo
superior a la atmosférica o, lo que es igual, superior a 0 PSI. Este hecho, que al princi-
pio significó un contratiempo, se transforma en una ventaja a la hora de detectar fallos
en la transmisión. La presión caerá a valor cero solamente cuando falte la presión en
la línea de alimentación, es decir, los 20 PSI.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS184
TRANSMISOR
dP = f (Caudal)
SENTIDO DE FLUJO
AP BP
 CONVERTIDOR
4-20 mA / 3-15 PSI
 FUENTES DE
ALIMENTACIÓN
CIRCUITO DE
 ENTRADA
230 V ca
+
 CIRCUITOS DE
CONTROL Y SALIDA
+
+
4 a 20 mA
 f (dP)
250 Ω
24 V cc
+
+
+
4 a 20 mA
 f (PID)
 20 PSI
Aire Instrum.
3 a 15 PSI
CONTROLADOR
INDICADOR
LOCAL
Figura 6.17
20 PSI
3 a 15 PSI
Lengueta
ToberaRestricción
Punto de apoyo
Figura 6.18
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 184
ALIMENTACIONES NEUMÁTICAS Y ELÉCTRICAS
Bibliografía
Manual de instrumentación aplicada
Douglas M. Considine y S.D. Ross
Editorial CECSA
Instrument Engineers Handbook
Bela G. Liptak
Chilton Book Company
Control Avanzado de Procesos. Teoría y Práctica
José Acedo Sánchez
Editorial Díaz de Santos
Instrumentos para la medición y control de procesos industriales
Norman A. Anderson
The Foxboro Company
185
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 185
06 capitulo 06 ok 15/9/06 15:28 Página 186
Simbología e identificación de lazos
7.1. Identificación
Con objeto de tratar de forma uniforme la identificación de los lazos de medida y
control están asumidas universalmente las definiciones y símbolos del estándar ISA-
S5.1, denominado «Instrumentation Symbols and Identification».
De acuerdo a este estándar cada instrumento o función debe ser identificado por
un código alfanumérico o tag como muestra el ejemplo siguiente:
7
TC 101 Identificación del lazo o tag
Número de orden del lazo
Descripción funcional
La identificación está formada por varias letras, de las cuales la primera designa el
tipo de variable y la siguiente, o siguientes, identifican las funciones que debe llevar a
cabo el lazo de indicación o control.
Para facilitar su localización y las labores de mantenimiento, todos los componen-
tes de un lazo deben tener el mismo número, diferenciándose en las letras que le asig-
nan la función. Por ejemplo, si un lazo está identificado por la primera letra como cau-
dal y tiene asignado el número 25, los componentesprincipales deberán tener la
siguiente denominación:
FE 25 Placa de orificio
FT 25 Transmisor
FC 25 Controlador
FY 25 Convertidor intensidad presión
FCV 25 Válvula automática
Además de las letras y números anteriores, a veces se incluyen prefijos y sufijos
cuyo significado puede ser el siguiente:
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INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS188
• Prefijo. Aclarar la situación del instrumento dentro del proceso, como el número
de unidad o zona del proceso, etc. Por ejemplo, el controlador de caudal
10FC25 se encuentra en la zona o unidad de proceso 10.
• Sufijo. Se puede utilizar para distinguir varios elementos conectados en el mis-
mo punto. Por ejemplo, FT25A y FT25B son dos transmisores conectados en el
mismo elemento primario.
En la práctica se suelen numerar los lazos empezando por el mismo número de la
serie para cada variable de proceso, independientemente de si se trata de indicadores,
controladores, alarmas, etc. Tomando como ejemplo la variable caudal, un sistema de
numeración de lazos puede ser: FC1, FI2, FI3, FC4, FA5, etc. Al mismo tiempo, las
otras variables empezarán también por el número 1 de serie. Como se ha mencionado
anteriormente, todos los componentes del mismo lazo tendrán el mismo número.
7.1.1. Letras de identificación
En la página siguiente se muestra una tabla en la que aparecen las letras que se uti-
lizan para el diseño funcional básico de los lazos de control, así como su significado
según la posición que ocupen.
Cuando una letra se designa como «usuario» significa que se pueden utilizar en
cada proyecto determinado asignándole funciones no especificadas por el resto de
letras. La letra «X» se utiliza para designar elementos auxiliares que pueden pertene-
cer a lo que generalmente se conoce como «varios».
Algunos ejemplos de identificación de lazos pueden ser los que se muestran a con-
tinuación:
• LAHH 20 Alarma de muy alto nivel
• FAL 10 Alarma de bajo caudal
• 15TDI 25 Indicador diferencial de temperatura
• 10PDSH 15 Interruptor de alta presión diferencial
• PC 100 Controlador de presión
• PY 100 Convertidor de salida a válvula de un controlador de presión
• 20FQ 30 Totalizador de caudal
• FX 34 Sumador de caudales
7.2. Líneas y funciones
En este apartado se representan las líneas más utilizadas tanto en los (Piping &
Instrument Drawing) como en los diagramas de proceso simplificados que se suelen
emplear para diseñar o aclarar los sistemas de control.
Línea de proceso
Línea de señal neumática
Línea de señal eléctrica
Línea de señal hidráulica
Tubo capilar
Línea de señal interna
(software)
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 188
SIMBOLOGÍA E IDENTIFICACIÓN DE LAZOS
7.2.1. Funciones
En ciertos proyectos, estudios, artículos o simplemente en documentación general
sobre instrumentación aparecen una serie de símbolos correspondientes a funciones
189
Primera letra Segunda letra y sucesivas
Variable Modificadora Función pasiva Función salida Modificador
A Análisis Alarma
B Llama de 
quemador (Burner)
C Usuario Control
D Tiro en conducto Diferencial
de humos (Draft)
E Voltaje Sensor (elemento
primario)
F Caudal Relación
(fracción)
G Usuario Elemento visual 
(Glass)
H Actuador manual Alto (High)
(Hand)
I Intensidad Indicador
J Potencia 
K Tiempo Estación de
control
L Nivel (Level) Lámpara (Light) Bajo (Low)
M Usuario Momentáneo Medio,
intermedio
N Usuario
O Usuario Orificio, 
restricción
P Presión, vacío Punto de prueba
Q Cantidad Integrador, 
(Quantity) totalizador
R Radiación Registro
S Frecuencia, Seguridad Interruptor,
velocidad (Safety) conmutador
(Speed) (Switch)
T Temperatura Transmisor
U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción
V Vibración Válvula, Damper, 
persiana
W Fuerza, peso Pozo, vaina 
(Weight) (Well)
X Sin clasificar Eje X Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar
Y Evento, estado Eje Y Relé, calculador,
o presencia convertidor
Z Posición, Eje Z Actuador, elemento
dimensión final de control
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 189
auxiliares que se utilizan en los lazos de control. Suelen ser una asociación de simbo-
logía ISA y SAMA (Scientific Apparatus Manufacturers Association).
La Figura 7.1 muestra un ejemplo de diagrama para llevar a cabo el control de
nivel de una caldera de vapor a tres elementos, agua, vapor y nivel. En este diagrama
aparecen todas las funciones que se llevan a cabo: extracción de raíz cuadrada, filtro,
etc. Realmente es un esquema con tanto detalle que prácticamente solo es necesario ir
colocando bloques como si se tratara de un mecano. En los sistemas de control basa-
dos en microprocesadores todas estas funciones se implementan por configuración.
La Figura 7.2 muestra un diagrama de control equivalente al de la Figura 7.1, tal
como se representa habitualmente utilizando exclusivamente simbología ISA.
Algunas de las funciones generales de control van implícitamente ligadas al nombre
del lazo, o tag. Por ejemplo, LC ya indica que se trata de un controlador de nivel, el
cual tiene asignadas las funciones de control proporcional, integral y derivativa para
seleccionar la que le corresponda; FX indica que se trata de una función que se debe
definir añadiendo lo que tiene que realizar, en este caso sumatorio. 
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS190
A∆
Σ ∆
AT
K
K
f(t)
FT FTLT
VAPOR NIVEL AGUA
A VÁLVULA DE CONTROL DE AGUA
∫
CONTROLADOR
 DE NIVEL
CONTROLADOR
 DE CAUDAL
Figura 7.1
FT FTLT
VAPOR NIVEL AGUA
LC
SP
FX FC A VÁLVULA
SUM
SP
Figura 7.2
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 190
SIMBOLOGÍA E IDENTIFICACIÓN DE LAZOS
A pesar de lo anterior, en ocasiones es conveniente recurrir a símbolos para definir
ciertas funciones, en cuyo caso es preferible utilizar los ya existentes. En la tabla
siguiente aparecen los símbolos más utilizados para definir funciones matemáticas
que se deben llevar a cabo en los sistemas de control.
191
∑ Sumatorio La salida es igual a la suma de las entradas. Si hay positivos
y negativos cada entrada debe tener asignado el signo.
∑/n Averaging La salida es igual a la suma algebraica de las entradas
dividida entre el número de ellas.
∆ Diferencia La salida es igual a la diferencia algebraica de dos
entradas. Cada entrada debe tener asignado el signo.
× Multiplicador La salida es igual al producto de dos entradas.
M
n
Raíz n La salida es igual a la raíz n de la entrada. Cuando no
aparece n se trata de una raíz cuadrada.
×n Exponenc. La salida es igual a la entrada elevada a la potencia n.
f (×) Función La salida es igual a alguna función no lineal o no
especificada de la entrada.
f(t) Func. tiempo La salida es igual a la entrada aplicándole alguna función
de tiempo.
> Select. máx. La salida es igual a la mayor de las entradas.
< Select. mín. La salida es igual a la menor de las entradas.
V Límite máx. La salida es igual a la entrada o al límite fijado como
máximo valor.
Límite mín. La salida es igual a la entrada o al límite fijado como 
mínimo valor.
Límite veloc. La salida es igual a la entrada o al límite fijado como
velocidad de cambio de la señal.
V
V
A continuación se muestra otra tabla en la que aparecen funciones que tienen por
objeto limitar las entradas o las salidas, para evitar que se produzcan errores de cálcu-
lo cuando se trata de entradas, o bien de control si se trata de salidas.
Como resumen se muestra un caso de aplicación de los símbolos que aparecen en
las dos tablas anteriores. Se trata de sumar tres caudales para obtener el caudal total
de una mezcla. En condiciones normales estarán indicando valores positivos, pero si
uno de ellos deja de suministrar caudal y existe error en la señal del transmisor puede
indicar valores negativos. Como consecuencia será necesario limitar las entradas para
evitar error en el cálculo.
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 191
Las funciones matemáticas y su configuración serán:
Caudal total = MAX(Ent 1, 0) + MAX(Ent 2, 0) + MAX(Ent 3, 0)
FX1.OP = MAX(FI1.PV,0); FX2.OP = MAX(FI2.PV, 0); 
FX3.OP = MAX(FI3.PV, 0)
FI4.PV = FX1.OP + FX2.OP + FX3.OP
La Figura 7.3 corresponde al esquema de control de la función matemática des-
arrollada para eliminar los valores negativos de cualquiera de las medidas de entrada.
En realidad la función selector se puede desarrollar en los indicadores de entrada por
medio de configuración; sin embargo, se han incluido funciones auxiliares para indi-
car además que no son accesibles por el operador, por lo que siempre actúan de forma
automática ante valores negativos de señal de entrada.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS192
1
F I
1
F X
2
F I
F X
3
F I
3
F X
4
F I
2
0
0
0
OP
OP
OP
Figura 7.3
7.3. Símbolos
A continuación se muestra la representación de las funciones básicas de control.
En general existen tres tipos de símbolos para conocer la situación física de los ins-
trumentos:
• Montados en campo.
• Accesibles por el operador.
• No accesibles por el operador.
De forma general, los elementos montados en campo son los primarios y finales.
En los inicios de la instrumentación era muy normal que los elementos de control
estuvieran también situados en campo, pero con la aparición de las señales neumáti-
cas y posteriormente las eléctricas se procedió a la concentración de los elementos de
control en paneles situados en salas de control. Con la tecnología digital han sido sus-
tituidos los elementos de control individuales por sistemas de control distribuido, y ha
desaparecido el panel tradicional para ser operadas las unidades de proceso desde con-
solas con pantallas.
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 192
SIMBOLOGÍA E IDENTIFICACIÓN DE LAZOS
Dada la gran cantidad de combinaciones de símbolos que se pueden dar, no se
representan en este capítulo porque sería una repetición del estándar de ISA S-5.1,
donde se pueden consultar aquellos específicos que sean necesarios. Por tanto sólo se
mostrarán aquellos considerados más utilizados en los proyectos.
La Figura 7.4 muestra como ejemplo un sistema de control en cascada con todos
los elementos que lo componen y cuya descripción se detalla en el apartado 7.4.
Como se puede ver, existe gran cantidad de símbolos e identificaciones que deben
aparecer en el P&ID, llegando en algunas ocasiones a saturar el espacio disponible
en el mismo.
193
1
FC
1
LC
SP
SP
HI
LO
4
SE
Figura 7.4
Desde un punto de vista de organización de pedidos, documentación, etc., todas
las identificaciones son necesarias porque cada una representa un elemento del lazo
de control, aunque en los diagramas de control se puede simplificar si se tiene en
cuenta que algunos elementos tienen una relación directa con el lazo. En este ejemplo
la placa de orificio FE1 está asociada al transmisor, por lo que no es absolutamente
necesario dibujar su círculo de identificación. Igual ocurre con la válvula automática
asociada al controlador de caudal FC1 y al convertidor FY1.
La Figura 7.5 muestra un esquema simplificado del caso anterior, utilizado fre-
cuentemente en diagramas de diseño básico, o en aquellos que se utilizan para descri-
bir sistemas de control. Se puede ver que, desde el punto de vista de funcionamiento
del lazo, es exactamente igual al de la Figura 7.4, aunque ocupa mucho menos espa-
cio. Se da por supuesto que cada controlador necesita un transmisor, así como un ele-
mento de medida y un convertidor para la válvula automática. Se pueden añadir letras
o números para indicar algún tipo de función, como ocurre en este caso, en que al con-
trolador de nivel se le añaden las funciones de alarma tanto de alto como de bajo nivel.
Las líneas de unión pueden terminar con punta de flecha siempre que aclaren el
funcionamiento de los elementos del lazo de forma que faciliten su comprensión,
sobre todo en aquellos lazos que por su complejidad son difíciles de seguir. En otros
casos no es necesario incluir flechas por ser obvio el sentido de la señal, como ocurre
entre la salida de un controlador y su válvula asociada.
Otro detalle a tener en cuenta es que se debe omitir la representación de líneas que
forman parte de un sistema de interlock o enclavamiento (SE), puesto que estos sue-
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 193
len tener muchas entradas y salidas lógicas que si fueran representadas podrían llegar
a saturar los planos. Solo se suele incluir el símbolo lógico, tanto en los elementos ini-
ciadores como en los finales, por ejemplo en presostatos, termostatos, etc., y electro-
válvulas, bombas, etc., asignándoles el número del sistema de enclavamiento al que
pertenecen.
En cualquier caso, la inclusión de todos los elementos de los lazos de control y
enclavamiento corresponde a los criterios seguidos por cada usuario. Puede que exis-
tan casos en los que hay que representar todos los elementos con su identificación
correspondiente y otros en los que se admitan simplificaciones.
7.3.1. Resumen de símbolos
La Figura 7.6 muestra un resumen de los símbolos utilizados en los P&ID. El están-
dar ISA-S5.3, bajo el título «Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display
Intrumentation, Logic and Computer Systems», muestra varios ejemplos de diagramas
de lazos de control para sistemas de control distribuido (SCD’s) y controladores lógi-
cos programables (PLC’s), uno de cuyos diagramas aparece en la Figura 7.7.
7.4. Definiciones
En el estándar ISA-S5.1 aparecen gran cantidad de definiciones para cubrir todo el
campo de la instrumentación y el control, de entre las cuales se van a detallar las más
utilizadas.
En muchas definiciones se van a incluir esquemas simplificados tal como apare-
cen en los diagramas de tuberías e instrumentos, conocidos habitualmente como
P&ID’s (Piping & Instrument Drawings). En otros casos se representa algún detalle
adicional del comportamiento desde el punto de vista de control. Se pretende asociar
la definición con una imagen visual de la misma, con objeto de facilitar su compren-
sión. En general se van a utilizar representaciones con simbología de sistema de con-
trol distribuido por ser la más utilizada en la actualidad.
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS194
1
FC
1
LC
SP
SP
HI
LO
4
SE
Figura 7.5
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 194
SIMBOLOGÍA E IDENTIFICACIÓN DE LAZOS 195
INSTRUMENTO
DISCRETO
(ANALÓGICO)
CONTROL
DISTRIBUIDO
FUNCIÓN DE
CÁLCULO
CONTROLADOR
LÓGICO
PROGRAMABLE
ACCESIBLE
 AL
OPERADOR
 NO
ACCESIBLE
 AL
OPERADOR
MONTADO
 EN
 CAMPO
ACCESIBLE
 EN PANEL
 AUXILIAR
Figura 7.6
1
LT
1
LIC
1
FY
1
FT
1
FE
1
FR
1
FIC
1
FV
1
UR
1 A
LIC
I
Transmisor
 de caudal
Elemento
de caudal
Registrador
conectado
con cable
LAH
Alarma de PV
Comunicación
vía software
Acondicio-
namiento
de entrada
Cableado
Registrador
asignable
Convertidor
 I / P
FAHH
Controlador
 auxiliar
Sistema
 lógico
(Interlock)
Enclavamiento
por alarmas
Alta / Muy alta
Transmisor
 de nivel
Válvula
de control
Controlador en
sistema de control
distribuido
Figura 7.7
07 capitulo 07 ok 15/9/06 15:33 Página 195
Alarma. Se trata de un elemento que señaliza la existencia de un mal funciona-
miento o situación anormal por medio de una indicación visual, acústica o ambas. No
se debe confundir el término «alarma» con el elemento iniciador que la produce. Por
ejemplo, un presostato es un elemento que abre o cierra un contacto cuando se produ-
ce una presión anormal en el proceso. Dicho de otra forma, el presostato (PSH) es el
elemento que inicia la función alarma.
La Figura 7.8 muestra dos formas de representar una alarma de alta presión, bien
en la propia identificación (PAH2) o, de forma general, indicando que se trata de
una alarma (PA) colocando junto a ella la función, en este caso la función de alta
presión (HI).
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL BÁSICO DE PROCESOS196
2
PAHPSH
 2 2
PA HI
Alternativa
Figura 7.8
2
PAHPSH
 2
Figura 7.9
Binario. Se trata de un término que se aplica a las señales que solo disponen de
dos estados o posiciones