Solenoides y electroválvulas

01 · Punto de partida

Un electroimán que empuja

Un solenoide es una bobina de alambre de cobre con un émbolo (plunger) de hierro en su interior. Al pasar corriente por la bobina se crea un campo magnético que atrae el émbolo hacia el centro; un resorte lo devuelve cuando se corta la corriente. Es el mismo principio que el relé del tema anterior, pero la pieza móvil hace el trabajo en lugar de cerrar un contacto. Se encuentra en cerraduras eléctricas, expendedoras, impresoras, válvulas de lavarropas y de riego, inyectores y frenos.

Una electroválvula es un solenoide acoplado a una válvula: el émbolo abre o cierra un orificio por el que pasa un líquido o un gas. Ofrece control todo o nada de caudales con una señal eléctrica. Se maneja con la llave del tema 27, se protege con su diodo, y el programa decide cuánto tiempo y con qué perfil de corriente.

02 · Magnitudes

La fuerza y el entrehierro

La fuerza de atracción de un electroimán depende del producto N × I (vueltas por corriente, los «ampere-vuelta») elevado al cuadrado, y del entrehierro (el espacio de aire entre el émbolo y el polo): cuanto más lejos está, menos fuerza. Como aproximación:

donde K y g₀ resumen la geometría. Dos consecuencias determinan todo el diseño:

• La fuerza crece con el cuadrado de la corriente: con la mitad de la corriente, la cuarta parte de la fuerza.
• La fuerza es mucho mayor con el émbolo cerrado que abierto. En el modelo que usamos (K = 1440 N·mm²/A², g₀ = 1 mm), a 0,5 A el solenoide empuja con 10 N cuando el émbolo está a 5 mm y con 160 N cuando está a 0,5 mm: dieciséis veces más.

Por eso un solenoide tiene dos regímenes: enganche (pull-in), cuando debe vencer el resorte con el émbolo lejos, que exige la corriente máxima, y mantenimiento (hold), con el émbolo ya cerrado, que alcanza con una fracción de esa corriente. Además, la hoja de datos da la fuerza para una carrera determinada: un solenoide que empuja 10 N a 2 mm da mucho menos a 10 mm. Hay que verificar la fuerza en la posición más desfavorable, no en la mejor.

Existen variantes según el movimiento: de tracción (el émbolo se retrae al activar) o de empuje (sale), con retorno por resorte, o biestables (latching), con un imán permanente que mantiene la posición sin consumo y se invierte con un pulso de la otra polaridad.

03 · El circuito

El circuito de una bobina

En régimen permanente, una bobina es una resistencia: I = V / R y P = V² / R. Un solenoide de 12 V con 24 Ω consume 0,5 A y 6 W. Pero la corriente no aparece de golpe, porque la bobina tiene inductancia L: la corriente sube con una exponencial de constante τ = L / R:

Con L = 80 mH y R = 24 Ω, τ = 3,33 ms. Si hacen falta 0,447 A para enganchar (el 89 % de 0,5 A), la corriente tarda t = −τ ln(1 − 0,894) = 7,5 ms. A ese retardo eléctrico se suma el movimiento mecánico del émbolo (de 10 a 50 ms): una electroválvula o una cerradura no responde al instante, y el programa debe tenerlo en cuenta.

También existe una tensión mínima de enganche: la corriente en régimen debe superar la necesaria para vencer la carga con el émbolo abierto. Con una carga de 8 N a 5 mm hacen falta 0,447 A, es decir, 10,7 V: si la alimentación cae a 9 V (una batería descargada, una fuente que se hunde por el arranque de un motor), la corriente máxima es 0,375 A y el solenoide no engancha nunca, aunque el programa lo ordene. Los solenoides se especifican con tolerancia, por ejemplo −15 % de la tensión nominal.

04 · Menos corriente, mismo trabajo

Enganchar y mantener

Una vez cerrado el entrehierro, la fuerza a igual corriente es mucho mayor, así que mantener el solenoide cerrado requiere solo una parte de la corriente de enganche. En el modelo, con una carga de 8 N, bastan 0,112 A para mantener cerrado, contra los 0,447 A del enganche: un 22 % de la corriente inicial. Usar la corriente plena todo el tiempo desperdicia energía y calienta la bobina. El esquema estándar:

1. Pulso de enganche: tensión plena (100 % de ciclo) durante un tiempo suficiente para que el émbolo cierre (50 a 200 ms).
2. Mantenimiento: PWM a un ciclo reducido (30 al 50 %), que da una corriente media menor con la misma fuente.

const uint8_t PIN_SOL = 9;                           // MOSFET de nivel lógico en la compuerta (tema 27)
const uint16_t T_ENGANCHE = 100;                     // ms al 100 %
const uint8_t PWM_MANTENER = 102;                    // 40 % de 255

enum Estado { REPOSO, ENGANCHANDO, MANTENIENDO };
Estado estado = REPOSO;
uint32_t tInicio = 0;

void activar() {
    if (estado == REPOSO) { analogWrite(PIN_SOL, 255); tInicio = millis(); estado = ENGANCHANDO; }
}
void desactivar() { analogWrite(PIN_SOL, 0); estado = REPOSO; }

void actualizarSolenoide() {                          // se llama en cada vuelta del loop
    if (estado == ENGANCHANDO && millis() - tInicio >= T_ENGANCHE) {
        analogWrite(PIN_SOL, PWM_MANTENER);
        estado = MANTENIENDO;
    }
}

La frecuencia del PWM importa. La corriente de una bobina se alisa solo si el período es corto frente a τ: con τ = 3,3 ms, un PWM de 100 Hz (período de 10 ms) con 40 % de ciclo produce una corriente que oscila entre 0,06 y 0,37 A; el émbolo vibra o se suelta, y el solenoide zumba. Con 500 Hz la corriente varía entre 0,16 y 0,24 A, con 2 kHz el rizado es de ±5 % y con 20 kHz, apenas visible y fuera del rango audible. Los timers de un Arduino Uno generan 490 o 980 Hz por defecto; para un solenoide con constante de tiempo corta puede hacer falta reprogramar el timer para una frecuencia mayor.

Y el esquema solo vale si el émbolo realmente cerró. Si algo lo bloquea o la carga es mayor, la corriente reducida no lo sostiene y el mecanismo se suelta o queda a medias.

05 · Límite térmico

Calor y ciclo de trabajo

La bobina convierte en calor toda la potencia que consume. Los fabricantes indican el ciclo de trabajo (ED, duty cycle): un solenoide 100 % ED puede estar encendido siempre con su tensión nominal; uno de 25 % ED, solo una cuarta parte del tiempo y con un máximo de encendido continuo de pocos segundos. Los solenoides intermitentes entregan más fuerza por tamaño porque se sobrecalientan si se los deja encendidos.

Con el calor aparece un segundo efecto: la resistencia del cobre aumenta con la temperatura (0,39 % por grado). La bobina caliente tiene más resistencia, circula menos corriente y baja la fuerza. Con el solenoide de 24 Ω y una resistencia térmica de 12 °C/W, encendido de forma continua a 12 V: la temperatura sube a 83 °C, la resistencia a 29,9 Ω y la corriente a 0,401 A; la fuerza con el émbolo abierto cae de 10 N a 6,4 N, por debajo de la carga de 8 N: un solenoide que enganchaba en frío ya no engancha en caliente. Con un ciclo de trabajo del 25 % la temperatura queda en 42 °C y la fuerza abierta en 8,5 N.

Dos reglas para el programa: limitar el tiempo máximo de encendido (un temporizador de seguridad) y aplicar el enganche solo al principio, con mantenimiento reducido el resto del tiempo, lo que baja la potencia media de 6 W a unos 1,9 W en el ejemplo del programa de Python.

06 · La llave y la protección

Control con MOSFET

Es la aplicación directa del tema 27: un MOSFET de nivel lógico en el lado de masa, con 100 Ω de resistencia de compuerta y un pull-down de 10 kΩ, y la fuente de la carga con masa común con el microcontrolador. Al apagar, la bobina genera un pico V = L · di/dt, por lo que el diodo de rueda libre (un 1N5819 o un 1N4007, en paralelo con la bobina y con el cátodo al positivo) es obligatorio. Para una apertura rápida (una cerradura que debe soltarse sin demora) se agrega un zener en serie con el diodo, a costa de más tensión en el drenador.

Dimensionamiento: el MOSFET debe soportar una tensión V_DS de al menos el doble de la alimentación (24 V o más para una carga de 12 V), la corriente continua con margen (≥ 2 veces) y su R_DS(on) a la tensión de compuerta disponible; para 0,5 A casi cualquier nivel lógico sirve. Si el solenoide es de CA (algunas electroválvulas de red), se usa un relé o un SSR (tema 28), no un MOSFET.

07 · Fluidos

Electroválvulas y dosificación

Hay varios tipos, y la diferencia importa:

• Normalmente cerrada (NC): sin corriente, cerrada. Es la de uso general y la más segura: ante un corte de energía o un fallo del programa, el fluido se detiene.
• Normalmente abierta (NA): sin corriente, abierta. Se usa donde el flujo debe mantenerse (circuitos de refrigeración).
• De acción directa: el émbolo abre el orificio por sí mismo; funciona con presión cero, pero con orificios pequeños.
• Servoasistida (pilotada): usa la presión del propio fluido para ayudar; admite caudales mayores con bobinas chicas, pero necesita una presión mínima (0,3 a 0,5 bar) para abrir. En un tanque por gravedad con poca altura, puede no abrir.
• Vías y posiciones: 2/2 (abrir o cerrar), 3/2 (alterna entre dos salidas), 5/2 (comanda cilindros neumáticos).

Las tres precauciones del programador: la válvula tiene un retardo de apertura y otro de cierre (decenas de milisegundos), que para dosis pequeñas son un error importante; el cierre brusco puede provocar un golpe de ariete en tuberías largas; y la seguridad: para líquidos o gases peligrosos, la válvula NC y un límite de tiempo máximo evitan derrames, y un sensor de nivel o un caudalímetro cierra el lazo.

Para dosificar con un caudal Q constante: V = Q × tflujo, donde el tiempo real de flujo es tflujo = torden − tapertura + tcierre, ya que el flujo comienza después de abrir y continúa hasta que se cierra del todo. Con 2 L/min (33,3 mL/s), 40 ms de apertura y 60 ms de cierre, el flujo dura 20 ms más que la orden. En una dosis de 500 mL (15 s) eso es 0,1 % de error. En una dosis de 5 mL (0,15 s), un 13 %. La corrección es restar esos 20 ms (calibrándolos con una balanza) o medir con un caudalímetro.

08 · Elegir

Comparación y elección

Para una cerradura, una traba o una válvula todo o nada, el solenoide es la solución natural; si hace falta una posición intermedia o una carrera larga, un servo o un motor.

09 · Analogía con programación

Fuerza, enganche con PWM, calor y dosis

Pongamos números al solenoide de 12 V y 24 Ω: la corriente y la tensión mínimas de enganche, un ciclo de enganche y mantenimiento simulado paso a paso con la ecuación de la bobina, el calentamiento con la resistencia variable, y el error de dosificación por los retardos de la válvula.

import math

V, R0, L = 12.0, 24.0, 0.08          # tensión (V), resistencia a 20 °C (Ω), inductancia (H)
K, G0 = 1440.0, 1.0                  # F = K·I² / (entrehierro + G0)², con F en N, I en A, entrehierro en mm
CARGA = 8.0                          # N que debe vencer (resorte + válvula)
TAU = L / R0


def fuerza(i, entrehierro):
    return K * i * i / (entrehierro + G0) ** 2


# ---- 1. Fuerza y corriente de enganche ----
i_ss = V / R0
print(f"Régimen: {i_ss:.3f} A, {V ** 2 / R0:.1f} W; τ = L/R = {TAU * 1000:.2f} ms")
print(f"Fuerza a 0,5 A: {fuerza(i_ss, 5):.0f} N con 5 mm; {fuerza(i_ss, 0.5):.0f} N con 0,5 mm")
i_abierto = math.sqrt(CARGA * (5 + G0) ** 2 / K)
i_cerrado = math.sqrt(CARGA * (0.5 + G0) ** 2 / K)
t_corriente = -TAU * math.log(1 - i_abierto / i_ss)
print(f"Para vencer {CARGA:.0f} N: {i_abierto:.3f} A con el émbolo abierto, {i_cerrado:.3f} A cerrado")
print(f"Tensión mínima de enganche: {i_abierto * R0:.1f} V; la corriente tarda {t_corriente * 1000:.1f} ms en llegar")
print(f"Con 9 V: {9 / R0:.3f} A -> {'engancha' if 9 / R0 >= i_abierto else 'NO engancha'}")


# ---- 2. Enganche al 100 % durante 100 ms y mantenimiento con PWM al 40 % (2 kHz) ----
def perfil(periodo, encendido, enganche, total, dt=5e-6):
    i = i_pull = suma = energia_mant = 0.0
    minimo, maximo = 1e9, -1e9
    cola = 20000                                         # últimos 100 ms
    for k in range(total):
        u = 1 if (k < enganche or k % periodo < encendido) else 0
        i += (V * u - R0 * i) / L * dt
        if k == enganche - 1:
            i_pull = i
        if k >= total - cola:
            suma += i
            energia_mant += i * i * R0
            minimo, maximo = min(minimo, i), max(maximo, i)
    return i_pull, suma / cola, minimo, maximo, energia_mant / cola


i_p, i_m, i_min, i_max, p_mant = perfil(100, 40, 20000, 100000)
print()
print(f"Fin del enganche: {i_p:.3f} A; mantenimiento: media {i_m:.3f} A, entre {i_min:.3f} y {i_max:.3f} A")
print(f"Fuerza cerrada con la corriente mínima: {fuerza(i_min, 0.5):.1f} N (carga {CARGA:.0f} N)")
print(f"Potencia en mantenimiento: {p_mant:.2f} W frente a {V ** 2 / R0:.1f} W continuos")
_, _, bajo, alto, _ = perfil(2000, 800, 20000, 100000)      # el mismo 40 %, pero a 100 Hz
print(f"A 100 Hz la corriente oscila entre {bajo:.3f} y {alto:.3f} A: fuerza mínima {fuerza(bajo, 0.5):.2f} N")


# ---- 3. Calentamiento: la resistencia del cobre crece 0,393 % por °C ----
def regimen(ciclo):
    t = 25.0
    for _ in range(200):
        r = R0 * (1 + 0.00393 * (t - 20))
        t = 25 + 12 * ciclo * V ** 2 / r
    r = R0 * (1 + 0.00393 * (t - 20))
    return t, r, V / r


print()
for ciclo in (1.0, 0.25):
    t, r, i = regimen(ciclo)
    f = fuerza(i, 5)
    print(f"Ciclo {ciclo * 100:3.0f} %: {t:5.1f} °C, R = {r:5.2f} Ω, I = {i:.3f} A, fuerza abierta {f:.2f} N -> {'engancha' if f >= CARGA else 'NO engancha'}")

# ---- 4. Dosificación con retardo de apertura de 40 ms y de cierre de 60 ms ----
Q = 2000 / 60                                            # mL/s
T_AB, T_CE = 0.040, 0.060
print()
print("dosis (mL)  t flujo (s)  orden compensada (s)  volumen sin compensar  error")
for dosis in (500, 50, 5):
    t_flujo = dosis / Q
    sin_comp = (t_flujo + T_CE - T_AB) * Q               # se ordena t_flujo y se entrega más
    print(f"{dosis:9d}  {t_flujo:11.3f}  {t_flujo + T_AB - T_CE:20.3f}  {sin_comp:20.2f} mL  {(sin_comp / dosis - 1) * 100:4.1f} %")

Resultado: a 0,5 A el modelo empuja con 10 N a 5 mm y con 160 N a 0,5 mm. Para vencer 8 N hacen falta 0,447 A con el émbolo abierto (tensión mínima 10,7 V, la corriente llega en 7,5 ms) y solo 0,112 A cerrado; con 9 V (0,375 A) no engancha. Con 100 ms al 100 % y mantenimiento al 40 % a 2 kHz, la corriente llega a 0,500 A y se mantiene en 0,200 A (entre 0,191 y 0,209 A), con 23,4 N de fuerza mínima y 0,96 W frente a 6 W continuos; a 100 Hz oscila entre 0,061 y 0,368 A (fuerza mínima 2,36 N, menor que los 8 N): el émbolo se suelta. En continuo el solenoide llega a 82,8 °C (29,9 Ω, 0,401 A, 6,43 N: no engancha en caliente); al 25 % de ciclo, 41,6 °C y 8,50 N. En dosificación, sin compensar el error es 0,1 % con 500 mL, 1,3 % con 50 mL y 13,3 % con 5 mL.

10 · Exploración interactiva

Fuerza, perfil de corriente y dosis

El primer instrumento muestra si el solenoide engancha según la alimentación, el entrehierro y la temperatura de la bobina. El segundo es el ciclo de enganche y mantenimiento, simulado paso a paso, con un gráfico de la corriente. El tercero calcula la dosis de una electroválvula con y sin compensación de sus retardos. Los parámetros son los del solenoide de 12 V y 24 Ω del programa de Python, con una carga de 8 N.

Recorrido guiado

1. Con 12 V, 5 mm y 20 °C: 0,500 A y 10 N, contra 8 N de carga: engancha. Bajá la alimentación a 10 V: la corriente de 0,417 A da 6,9 N y ya no engancha. Es el efecto de una batería descargada.
2. Con 12 V, subí la temperatura de la bobina a 80 °C: la resistencia crece, la corriente baja a 0,41 A y la fuerza abierta cae por debajo de la carga. Un solenoide sobrecalentado deja de funcionar.
3. Bajá el entrehierro a 0,5 mm (émbolo cerrado): con el mismo 12 V, la fuerza sube a 160 N. Con 6 V (0,25 A) mantiene 40 N, muy por encima de 8 N.
4. En el instrumento 2, 100 ms al 100 % y 40 % de mantenimiento a 20 kHz: la corriente se mantiene en 0,200 A sin rizado y la potencia baja a ~1 W. Subí el mantenimiento al 100 %: 6 W, con el calor correspondiente.
5. Bajá el ciclo de mantenimiento al 10 %: la corriente de 0,05 A da una fuerza cerrada de ~1,6 N y el émbolo se suelta. Hay un mínimo, que depende de la carga.
6. Pasá la frecuencia a 100 Hz con el 40 %: la corriente oscila entre 0,06 y 0,37 A y la fuerza mínima (2,4 N) no alcanza los 8 N; el émbolo vibra y se suelta. Con 20 kHz el problema desaparece.
7. En el instrumento 3, con 50 mL, 2 L/min y retardos de 40 y 60 ms: error del 1,3 % sin compensar. Bajá la dosis a 5 mL: 13 %. Activá «Compensar»: el error desaparece, si los retardos son los que supone el programa.

11 · Método de trabajo

Cómo integrar un solenoide

1. Definí la carga mecánica y la carrera, y obtené de la hoja de datos la fuerza en la posición más desfavorable.
2. Calculá I y P con la tensión mínima prevista de la fuente (con su caída) y con la bobina caliente (R × 1,2 a 1,3).
3. Elegí el MOSFET (V_DS ≥ 2 × V, R_DS(on) a tu V_GS), con resistencia de compuerta y pull-down.
4. Agregá el diodo de rueda libre (con zener si hace falta apertura rápida).
5. Programá enganche y mantenimiento: pulso pleno, luego PWM reducido a una frecuencia alta (≥ 2 kHz, mejor 20 kHz).
6. Limitá el tiempo máximo de encendido y prevé la pérdida de comunicación o el cuelgue del programa (watchdog, reposo seguro).
7. Para fluidos, elegí NC, verificá la presión mínima, y calibrá la dosis con una balanza incluyendo los retardos.
8. Probá en caliente y con la alimentación baja: es donde fallan los solenoides.

Si el solenoide zumba, el PWM es demasiado lento o la corriente es insuficiente; si se calienta, mantené con PWM y reducí el tiempo encendido; si enganca solo a veces, la alimentación se hunde o el entrehierro es mayor al esperado; si la dosis varía, medí los retardos y la presión.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Corriente y potencia

Un solenoide de 24 V tiene una bobina de 48 Ω. ¿Qué corriente consume y qué potencia disipa continuo?

2. Constante de tiempo

La bobina del ejercicio anterior tiene L = 120 mH. ¿Cuánto vale τ y qué frecuencia de PWM elegís?

3. Fuerza con el cuadrado

A 0,5 A un solenoide empuja con 10 N. ¿Con cuánta fuerza empuja a 0,25 A en la misma posición?

4. Tensión mínima

Para enganchar hacen falta 0,45 A en un solenoide de 24 Ω. ¿Qué tensión mínima de fuente se necesita en frío? ¿Y si la bobina caliente tiene 30 Ω?

5. Dosificación

Una electroválvula entrega 40 mL/s, abre con 30 ms de retardo y cierra con 50 ms. Se ordena abrir 0,5 s. ¿Qué volumen sale y qué error hay respecto de 20 mL?

6. Elegir

Elegí tipo para: (a) abrir el agua de un riego con un tanque elevado de poca altura; (b) una cerradura que debe quedar abierta horas sin consumir; (c) una válvula que debe cortar el gas si se cuelga el programa.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 30?

Antes de avanzar, calculá la corriente de un solenoide de 24 V y 40 Ω y su constante de tiempo con L = 100 mH, explicá por qué un solenoide que engancha en frío puede dejar de hacerlo en caliente y decidí qué ciclo de trabajo y qué frecuencia de PWM usarías para mantenerlo cerrado. Si podés justificar las tres respuestas, ya sabés aplicar un solenoide.

En el próximo tema pasamos al movimiento giratorio con los motores de corriente continua: par, velocidad, corriente de arranque y puente H.