Tipos de Transductor

Transductores: Definición, Funciones y Clasificación

Un transductor es un dispositivo electrónico que desempeña un papel crucial en la conversión de cantidades físicas en señales eléctricas. Cumple dos funciones fundamentales: la detección y la transducción. Primero, detecta la cantidad física de interés, como la temperatura, la presión o el desplazamiento. Luego, transforma esta cantidad física en trabajo mecánico o, más comúnmente, en una señal eléctrica que se puede medir, procesar y analizar fácilmente.

Los transductores existen en una amplia variedad de tipos y pueden clasificarse según varios criterios distintos:

• Basado en el Mecanismo de Transducción Utilizado: Esta clasificación se centra en los procesos físicos o químicos específicos mediante los cuales el transductor convierte la cantidad física de entrada en una salida eléctrica. Diferentes mecanismos de transducción están adaptados a diferentes tipos de mediciones y aplicaciones, lo que permite una detección precisa y confiable en un amplio espectro de fenómenos físicos.

• Como Transductores Primarios y Secundarios: Un transductor primario convierte directamente la cantidad física medida en una señal eléctrica. En contraste, un transductor secundario trabaja en conjunto con un transductor primario, modificando o procesando la señal eléctrica generada por el dispositivo primario para mejorar su utilidad o precisión.

• Como Transductores Pasivos y Activos: Los transductores pasivos dependen de una fuente de alimentación externa para operar y producen una señal de salida que es función de la cantidad física de entrada y la potencia aplicada. Por otro lado, los transductores activos contienen su propia fuente de alimentación y pueden generar una señal de salida sin necesidad de una fuente de alimentación externa, a menudo proporcionando mayor sensibilidad y fuerza de la señal.

• Como Transductores Analógicos y Digitales: Los transductores analógicos producen una señal de salida que varía continuamente con la cantidad física de entrada, generalmente en forma de voltaje o corriente. En contraste, los transductores digitales convierten la cantidad de entrada en una señal digital discreta, que es más fácil de procesar, almacenar y transmitir utilizando sistemas electrónicos y computacionales digitales modernos.

• Como Transductores e Inversos Transductores: Un transductor estándar convierte una cantidad física en una señal eléctrica. Un inverso transductor, por el contrario, toma una señal eléctrica como entrada y la convierte de nuevo en una cantidad física, efectivamente invirtiendo el proceso de un transductor tradicional. Este concepto es útil en aplicaciones donde se requiere control eléctrico para generar una respuesta física específica.

En operación, un transductor recibe la magnitud medida, que es la cantidad física que se mide, y produce una señal de salida proporcional a la magnitud de la entrada. Esta señal de salida luego se transmite a un dispositivo de acondicionamiento de señales. Aquí, la señal pasa por una serie de procesos, incluyendo atenuación (ajuste de la amplitud de la señal), filtrado (eliminación de ruido o frecuencias no deseadas) y modulación (codificación de la señal para una mejor transmisión o procesamiento). Estos pasos aseguran que la señal final esté en una forma óptima para análisis, visualización o operaciones de control subsecuentes.

La cantidad de entrada de un transductor suele ser una cantidad no eléctrica, mientras que la señal de salida eléctrica puede estar en forma de corriente, voltaje o frecuencia.

1. Clasificación basada en el Principio de Transducción

Los transductores pueden clasificarse según el medio de transducción que utilizan. El medio de transducción puede ser resistivo, inductivo o capacitivo. Esta clasificación se determina por el proceso de conversión a través del cual el transductor de entrada transforma la señal de entrada en resistencia, inductancia o capacitancia, respectivamente. Cada tipo de medio de transducción tiene sus propias características únicas y es adecuado para diferentes aplicaciones de medición, permitiendo la conversión precisa de diversas cantidades físicas en señales eléctricas.

2. Transductores Primarios y Secundarios

• Transductor Primario
  Un transductor a menudo consta de componentes tanto mecánicos como eléctricos. La parte mecánica del transductor es responsable de convertir las cantidades físicas de entrada en una señal mecánica. Este componente mecánico se conoce como transductor primario. Actúa como el elemento de detección inicial, interactuando directamente con la cantidad física que se mide, como la presión, la temperatura o el desplazamiento, y convirtiéndola en una forma mecánica que se puede procesar posteriormente.

• Transductor Secundario
  El transductor secundario toma la señal mecánica generada por el transductor primario y la convierte en una señal eléctrica. La magnitud de la señal eléctrica de salida está directamente relacionada con las características de la señal mecánica de entrada. De esta manera, el transductor secundario conecta los dominios mecánico y eléctrico, lo que hace posible medir y analizar la cantidad física original utilizando técnicas de medición y procesamiento eléctricas.

Ejemplo de Transductores Primarios y Secundarios

Tomemos como ejemplo el Tubo de Bourdon, ilustrado en la figura siguiente. El Tubo de Bourdon funciona como un transductor primario. Está diseñado para detectar la presión y convertirla en un desplazamiento en su extremo libre. Cuando se aplica presión al tubo, su forma se deforma, causando que el extremo libre se mueva. Este desplazamiento actúa como la entrada para la siguiente etapa del sistema.

El movimiento del extremo libre del Tubo de Bourdon causa que el núcleo de un Transformador de Desplazamiento Lineal Variable (LVDT) se desplace. A medida que el núcleo se mueve dentro del LVDT, induce un voltaje de salida. Este voltaje inducido es directamente proporcional al desplazamiento del extremo libre del tubo, y, por consiguiente, a la presión original aplicada al Tubo de Bourdon.

En el caso del sistema Tubo de Bourdon - LVDT, ocurren dos procesos de transducción distintos. Primero, la transducción primaria tiene lugar cuando el Tubo de Bourdon convierte la presión en desplazamiento. Luego, la transducción secundaria ocurre cuando el LVDT convierte este desplazamiento en una señal de voltaje eléctrica. Este ejemplo demuestra claramente cómo los transductores primarios y secundarios trabajan juntos para medir y convertir una cantidad física en una salida eléctrica para su análisis y uso posterior.

El Tubo de Bourdon actúa como el transductor primario, mientras que el T.V.D.L. (Transformador de Desplazamiento Lineal Variable) funciona como el transductor secundario.

3. Transductores Pasivos y Activos

Los transductores también pueden clasificarse en tipos activos y pasivos, cada uno con características operativas distintas.

Transductores Pasivos

Un transductor pasivo es aquel que depende de una fuente de alimentación externa para operar, por lo que también se le conoce como transductor alimentado externamente. Ejemplos típicos de transductores pasivos son los capacitivos, resistentivos e inductivos. Estos transductores funcionan modificando una propiedad eléctrica (como la resistencia, la capacitancia o la inductancia) en respuesta a la cantidad física de entrada. Sin embargo, no generan su propia energía eléctrica; en cambio, requieren una fuente de alimentación externa para producir una señal de salida medible que refleje el cambio en la cantidad física que se mide.

Transductores Activos

Por el contrario, un transductor activo no necesita una fuente de alimentación externa para operar. Estos transductores son autogeneradores, lo que significa que pueden producir su propio voltaje o corriente de salida. La señal de salida de un transductor activo se deriva directamente de la cantidad física de entrada. Los transductores activos son capaces de convertir diversos fenómenos físicos, como la velocidad, la temperatura, la fuerza y la intensidad de luz, en señales eléctricas sin depender de una entrada de potencia externa. Ejemplos de transductores activos incluyen cristales piezoeléctricos, células fotovoltaicas, tachógeneradores y termopares.

Ejemplo: Cristal Piezoeléctrico

Para ilustrar el funcionamiento de un transductor activo, consideremos un cristal piezoeléctrico. Un cristal piezoeléctrico generalmente se coloca entre dos electrodos metálicos, y toda la estructura se fija firmemente a una base. Luego, se coloca una masa sobre esta estructura sándwich.

Los cristales piezoeléctricos poseen una propiedad única: cuando se les aplica una fuerza, generan un voltaje eléctrico. En la configuración descrita, la base puede experimentar aceleración, lo que causa que la masa ejerza una fuerza sobre el cristal. Esta fuerza, a su vez, induce un voltaje de salida a través del cristal. La magnitud de este voltaje de salida es directamente proporcional a la aceleración experimentada por la base, convirtiendo así la aceleración mecánica en una señal eléctrica. Este ejemplo demuestra claramente cómo los transductores activos pueden generar salidas eléctricas autónomas basadas en entradas físicas, destacando su funcionalidad distinta en comparación con los transductores pasivos.

El transductor mencionado anteriormente se conoce como acelerómetro, que está diseñado para convertir la aceleración en un voltaje eléctrico. Notablemente, este tipo de transductor opera sin necesidad de ninguna fuente de alimentación auxiliar durante la conversión de la cantidad física en una señal eléctrica, destacando su naturaleza autosuficiente en la generación de señales.

4. Transductores Analógicos y Digitales

Los transductores también pueden clasificarse según la naturaleza de sus señales de salida, que pueden ser continuas o discretas.

Transductores Analógicos

Un transductor analógico transforma la cantidad de entrada en una función continua. Esto significa que la señal de salida varía suavemente y de manera continua en respuesta a los cambios en la entrada. Ejemplos de transductores analógicos incluyen gages de tensión, Transformadores de Desplazamiento Lineal Variable (LVDTs), termopares y termistores. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones donde se requiere una representación proporcional y continua de la cantidad física medida, como en sistemas de medición de precisión y control de procesos industriales.

Transductores Digitales

Por otro lado, los transductores digitales convierten la cantidad de entrada en una señal digital, generalmente en forma de pulsos. Las señales digitales operan en base a estados binarios, representando información como niveles de potencia "alto" o "bajo". Este formato de salida digital ofrece varias ventajas, incluyendo mayor inmunidad al ruido, integración más fácil con electrónica y sistemas computacionales digitales, y un procesamiento y almacenamiento de datos más sencillo. Los transductores digitales se están adoptando cada vez más en sistemas de medición y control modernos debido a la prevalencia de tecnologías digitales.

5. Transductores e Inversos Transductores

Transductores

Un transductor se define como un dispositivo que convierte cantidades no eléctricas en cantidades eléctricas. Este proceso de conversión permite la medición, monitoreo y control de diversos fenómenos físicos, como la temperatura, la presión, el desplazamiento y la fuerza, utilizando técnicas de medición y procesamiento eléctricas. Los transductores desempeñan un papel crucial en una amplia gama de aplicaciones, desde la automatización industrial hasta la investigación científica y la electrónica de consumo.

Inversos Transductores

Los inversos transductores realizan la función opuesta a los transductores tradicionales. Convierten cantidades eléctricas de vuelta en cantidades físicas. Estos transductores generalmente tienen una alta entrada eléctrica y una correspondiente baja salida no eléctrica. Los inversos transductores se utilizan en aplicaciones donde se necesitan traducir señales eléctricas en acciones o respuestas físicas, como en ciertos tipos de actuadores y sistemas de control. El concepto de inversos transductores proporciona un medio para cerrar el ciclo entre el control eléctrico y la operación física, facilitando un control más complejo y preciso de sistemas mecánicos y físicos.