Curso de Fotocélulas

Fotoclulas

Formacin

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ndice Definicin Composicin Mtodo de deteccin Emisores Receptores Caractersticas de control Etapa de salida Curvas Caractersticas Normas y proteccin Fibra ptica Precauciones Aplicaciones

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DefinicinUna clula fotoelctrica puede definirse como un dispositivo capaz de detectar la presencia o ausencia de un objeto, o cualquier cambio en sus caractersticas fsicas (posicin, color, tamao, etc.) utilizando nicamente luz y sin necesidad de contacto fsico con el objeto.

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Composicin Emisor Receptor Etapa de tratamiento Amplificador: Incorporado o separado Circuito de controlEmisor Receptor

Etapa de salida

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Mtodo de Deteccin Barrera Reflex Reflexin Polarizada.

Reflexin Difusa Con supresin de plano posterior BGS. Con supresin de plano anterior FGS. Posicin de objeto PSD. Fotocromticas. Deteccin de marcas. Deteccin de color.

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Fotoclulas de Barrera Consta de un Emisor y un Receptor separados en distintos encapsulados.Largo alcance. Gran selectividad respecto al tamao del objeto. Alta resistencia a ambientes difciles. Detecta objetos opacos. Doble cableado: Emisor y receptor.

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Reflex con espejo (1) Emisor y receptor en el mismo encapsulado. El haz de luz es reflejado hasta el receptor por el espejo. El objeto es detectado al interrumpir el haz. Alcanzan hasta 10 m. Fcil instalacin. Pueden detectar objetos transparentes (FAO).7

Reflex con espejo (2) La posicin y el tamao del espejo influyen en la zona de deteccin. El espejo debe ser ms pequeo que el objeto a detectar. Para detectar objetos brillantes usa luz polarizada.

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Reflexin polarizada con espejo Luz polarizada es la que vibra en un nico plano. El emisor polariza la luz en horizonal y el receptor filtra la luz que le llega con polarizacin vertical. El espejo reflector es capaz de modificar la luz polarizada horizonal en vertical gracias a su construccin tridrica. Un objeto brillante no cambia la polaridad del haz emitido por lo que al receptor no le llega luz adecuadamente polarizada.Luz reflejada por el espejo Polarizacin vertical Luz emitida Polarizacin horizontal

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Reflexin difusa (1) Reflexin difusa: Energa reflejada. BGS/FGS: Geometra del haz de luz. Marcas de color: Intensidad de luz. Sensores de color: Longitud de onda.10

Reflexin difusa (2) No necesita espejo, el objeto refleja la luz hacia el receptor. Ideales para las aplicaciones que slo tienen un lado accesible. La cantidad de luz reflejada depende del objeto de su material, forma y color; con lo que vara la distancia de deteccin con los objetos negros, que reflejan poca luz. Este efecto se puede contrarrestar con el ajuste de sensibilidad de la fotoclula.11

BGS/FGS 1Reflexin Difusa Detecta energa reflejada. Depende fuertemente de las caractersticas del objeto (error blanco/negro). Punto de deteccin indeterminado.

BGS/FGS Detecta posicin del haz reflejado. Dbil dependencia de las caractersticas del objeto (pequeo error blanco/negro). Distancia de deteccin claramente definida.12

BGS/FGS 2Cambio de distancia de deteccin: Ranuras. Obturador en el receptor. Mecnica. Utilizando dos elementos receptores. Receptor PSD (Position Sensing Device).13

BGS/FGS 3Emisor ReceptorBG Objeto

BGS

Zona no detectada

Utiliza dos receptores. Uno para el objeto y otro para el fondo.

Emisor ReceptorObjeto FG

FGS

Zona detectada

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Sensor de posicin PSD (1) Medidores laser o LED Utiliza el receptor PSD (Position Sensing Device). Tienen salida analgica 420mA 010V. Llegan a una precisin del orden de 0.5 micras.

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Sensor de posicin PSD (2) Receptor de 2 fotodiodos Histresis baja. Necesidad de partes mecnicas. Difcil reduccin del coste de fabricacin.

Receptor PSD Posibilidad de reducir el tamao. Posibilidad de salida analgica. Indicador de nivel de deteccin. Teaching con CPU.

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Fotocromticas (1) Detectan el color, la longitud de onda de la luz reflejada en el objeto (marca o fondo). La sensibilidad influenciada por la fuente de luz: roja, ms distancia pero menos sensible al color verde, menor distancia y mayor sensibilidad.

Se basa en la descomposicin de la luz en sus colores bsicos, de los cuales se queda con el rojo (Red), verde (Green) y azul (Blue). El resto de los colores se consideran como combinaciones de estos.17

Fotocromticas (2)El emisor enva los tres colores RGB secuenciados en el tiempo, de tal modo que el receptor sabe el nivel de R que le llega, el de G y el de B. El emisor tiene espejos filtrantes semitransparentes, que dejan pasar unos colores y reflejan otros. Se puede trabajar enmodo C: Se mide el valor de los colores RGB. Se corrigen errores en la distancia de deteccin. Modo I: Se mide la intensidad de luz. Ms sensibilidad entre tonalidades del mismo color. Dependen de la posicin del objeto.18

Receptor

Emisor

Refleja el azul pasan el rojo y el verde Refleja el verde pasa el rojo

Emisores Focales Pueden variar su distancia focal: enfocan.

Distancia definida Tienen la distancia focal fija.

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Espectro luminosoLos sensores ms empleados utilizan luz infrarroja, o bien luz visible roja o verde.

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Radiometra y FotometraRADIOMETRA Energa (julio J) Potencia (vatio W) Irradiancia (W/m) Intensidad (W/sterorad) Radiancia (W/sterorad m) FOTOMETRA Energa (lumen seg) Potencia (lumen) Iluminancia (lux) Intensidad (lumen/sterorad) Luminancia (candela m)

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Tipos de Fuente de Luz Lmparas incandescentes / fluorescentes ( en desuso ). Semiconductores luminiscentes: Diodos LED. Lser (Light Amplification by Stimuleted Emission of Radiation).

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Receptor: Transductores Efecto fotoemisivo (Intensidad) Tubo fotoelctrico/fototransmisor (no se usan)

Efecto fotoconductivo (Resistencia) Clulas CdS Fototransistores / Fotodiodos

Efecto fotovoltaico (Tensin) Clulas de silicio

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Interferencias mutuasLas fotoclulas pueden provocar interferencias a las que tienen en las cercanas. Para evitar este efecto se puede: Separar las fotoclulas. Cambiar las posiciones de emisor y receptor alternndolos (barrera). Utilizar filtros atenuadores (polarizados). Modulacin en frecuencia del haz de luz.

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Modulacin de luz (1)Funciones principales Evitar interferencias de las fotoclulas prximas. Evitar ruido ambiental. Emitir entre cada interferencia de luz. Mediante lgica fuzzy se estiman las frecuencias de modulacin ms adecuadas.

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Modulacin de luz (2)

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Caractersticas de Control Modos de operacin Temporizacin de la salida Indicadores de Sealizacin Teaching Funcin autodiagnstico Distancia de deteccin e histresis Ajustes manuales

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Modos de operacin Con Luz La salida se activa cuando el receptor recibe el haz del emisor. Tpico para reflexin sobre objeto.

En Oscuridad La salida se activa cuanto el haz de luz est interrumpido, el receptor no recibe luz. Tpico para barrera y reflex sobre espejo.

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Temporizacin de la salida Monoestable (O.S.D.) La salida es un pulso de duracin prefijada.

Retardo a ON (ON delay) La salida no se activa hasta pasado un tiempo prefijado. Se desactiva inmediatamente.

Retardo a OFF (OFF delay) La salida se activa inmediatamente y no se desactiva hasta pasado un tiempo prefijado.

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Indicadores de sealizacin (1) Estabilidad Indica que est trabajando en condiciones estables de luz u oscuridad.

Operacin Indica que la salida est activa (sin tener en cuenta las temporizaciones).

Arrays de LEDs Teaching: Nuevo sistema de indicacin de nivel, sensibilidad, ...

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Indicadores de sealizacin (2)Operacin Estabilidad Operacin

Intensidad de luz

Umbral

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Teaching (1) Una nueva forma cmoda y sencilla de hacer el ajuste de sensibilidad. Pulsar un botn. Incorpora un autoajuste del nivel de operacin del 10%, para corregir los cambios ambientales. Permite la funcin de teaching remoto (autoteaching), que recoge 5 muestras para calcular la sensibilidad y nivel de operacin. Facilita tres formas de hacer el teaching: 1 punto, 2 puntos y autoteaching.32

Teaching (2) Teaching de 1 punto. Para objetos sobre fondo de diferente brillo. 1 Colocar el objeto delante del sensor y pulsar el botn de teaching.

Teaching de 2 puntos. Para objetos con pequea variacin de brillo respecto al fondo. 1 Igual que para un punto. Con el objeto presente. 2 Quitar el objeto y volver a pulsar el botn de teaching, para que reconozca el fondo.33

Teaching (3) Teaching remoto. Mediante entrada externa, segn la duracin del pulso o tren de pulsos. 1 punto 2 puntos autoteaching

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Teaching (4)Autoteaching: Ajuste automtico de los parmetros.

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Teaching (5) Las fotoclulas de deteccin de marcas o de color, incorporan un array de LEDs para visualizar la intensidad de luz (rectngulos) el umbral de operacin (tringulos) indicador de salida activa.

Tolerancia

Nivel operacin

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Funcin Autodiagnstico Esta funcin comprueba los cambios ambientales (especialmente los cambios de posicionamiento, suciedad) y diagnostica para contrarrestar estos cambios. El resultado se muestra mediante los indicadores (estabilidad) o una seal de salida (salida de alarma).37

Distancia de deteccin Histresis Distancia de deteccin: Es la distancia a la cual la fotoclula puede detectar el objeto de forma estable. Barrera y Reflex sobre espejo: mxima distancia entre emisor y receptor o espejo reflector manteniendo una operacin estable. Difusa: mxima distancia a la que es detectado el objeto manteniendose en el rango de estabilidad.

Histresis o distancia diferencial: Diferencia de distancia (expresada en %) entre el punto de deteccin y el de nodeteccin.ON Distancia de deteccin OFF Histresis

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Ajustes manuales Sensibilidad Con objeto: Desde el mnimo subir la sensibilidad hasta que se encienda el indicador de operacin (A). Sin objeto:Desde el mximo bajar la sensibilidad hasta que se apague el indicador de operacin (B). Situar la sensibilidad en el punto medio de las dos posiciones anteriores.

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Etapa de Salida A 2 hilos A 3 hilos Salida a rel (5 hilos) Analgica Salida de alarma Modos de conexin Entradas especiales

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A 2 hilos (1) Rel de estado slido C.A. Alimentacin en serie con la carga. Con proteccin contra cortocircuitos. Contacto NA.

NA

Carga

COM

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A 2 hilos (2) SERIE: Es posible. Precaucin con la tensin que soporta cada uno. La tensin residual de cada uno se suma y la carga puede quedarse sin suficiente tensin.

PARALELO: No conectar en paralelo. Si uno de ellos est en ON los dems no reciben alimentacin.

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A 3 hilos (1)Posibilidad de elegir: PNP / NPN Colector abierto / Estado slido.

Protecciones contra: Cortocircuito en la carga. Inversin de polaridad en alimentacin (slo CC).

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A 3 hilos (2) NPN: Carga entre +V y Salida. PNP: Carga entre Salida y 0V.PNP +VMarrn

NPN

+VMarrn

Carga

Circuito Interno

SalidaNegro

Circuito Interno

SalidaNegro

Carga 0VAzul

0VAzul

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A 3 hilos (3) Asociacin SERIE No es conveniente. Soportan corrientes de fuga de los anteriores. En conduccin se reparten la tensin: Limita la carga Retrasos en conexin. Utilizar un diodo antirretorno (en antiparalelo) con cargas inductivas.

PARALELO No existen contraindicaciones.

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Salida a rel (1) Salida rel normalmente abierta y cerrada. Alimentacin separada de la salida.

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Salida a rel (2) SERIE Y PARALELO: No existen contraindicaciones para la asociacin en serie o paralelo. Tener en cuenta la tensin mxima 250V (serie) y la mxima intensidad 3A (paralelo) de cada rel.

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Salida Analgica Para medida de la posicin tamao o caratersticas del objeto. Salida de 420 mA con una impedancia de carga de 300 mximo.(E3SA, E3XA, Z4W-V) Salida de -44 V con una impedancia de salida de 100 mximo. Es posible ajustar la salida a -55 V.(Z4M)

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Salida de Alarma Indica operacin en el rango de luz inestable. Tiene un tiempo `t de establecimiento de la alarma.

Luz estable Nivel de operacin Oscuridad estable

t Salida alarma

Salida de operacin

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Modos de conexin Cable La fotoclula incorpora cable de 2m de longitud (azul-, marrn+, negro y blanco).

Conector Utilizando el conector especificado (M12 de 4 pines).

Bornas La fotoclula tiene las bornas accesibles para cablear la alimentacin y las salidas.50

Entradas especiales Diagnstico-chequeo Comprueba los niveles de luz, alimentacin, suciedad, ... Corrige el nivel de operacin y sensibilidad.

Teaching remoto Seleccin del modo de teaching: 1 punto, 2 puntos o autoteaching. Seleccin de nivel de operacin.

Seleccin de banco Selecciona un banco de entre los posibles, para la deteccin de color, marcas.51

Curvas Caractersticas (1) Distancia de deteccin, Rango de operacin. Ganancia Sensibilidad Respecto al tamao del objeto. Respecto a la direccin de deteccin. Respecto al material empleado.

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Curvas Caractersticas (2)Direccin de deteccin Distancia de deteccin y tamao del objeto

Material empleado

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Normas y proteccin Resistencia Grados de proteccin IP Directivas europeas CE Homologaciones

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Resistencia Entorno ambiental. Luz ambiental (solar, incandescente o fluorescente), polvo, humo, contaminacin, humedad, que dificultan la recepcin del haz. Se recomienda utilizar el sistema de barrera.

Qumico. Mecnica: choques y vibraciones. Perturbaciones electromagnticas. Campos electromagnticos radiados (ondas), transitorios (ruidos parsitos marcha/paro de motores), tensiones de choque (rayos).

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Grados de proteccin IPEl grado de proteccin IP se compone de dos dgitos:El primero de proteccin contra slidos. El segundo de proteccin contra el agua.Cuerpos slidos0 No est protegido contra el ingreso de cuerpos extraos. 1 Protegido contra ingreso de cuerpos de ms de 50 mm de dimetro. 2 Protegido contra ingreso de cuerpos de ms de 12 mm de dimetro. 3 Protegido contra ingreso de cuerpos de ms de 2.5 mm de dimetro. 4 Protegido contra ingreso de cuerpos de ms de 1 mm de dimetro. 5 Proteccin contra depsito de polvo. 6 Proteccin contra ingreso de polvo.

Agua0 Sin proteccin. 1 Proteccin contra goteo de agua condensada. 2 Proteccin contra goteo hasta 15 de la vertical. 3 Proteccin contra lluvia con un ngulo inferior a 60. 4 Proteccin contra salpicaduras en cualquier direccin. 5 Proteccin contra el chorreo de agua en cualquier direccin. 6 Proteccin contra ambientes propios de las cubiertas de los barcos. 7 Proteccin contra la inmersin temporal. 8 Proteccin contra la inmersin indefinida.

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Directivas europeas CE (1) Normativa de maquinaria: Aplicable a las mquinas y productos de la UE.

Normativa EMC Distinguimos entre perturbaciones radiadas (por el aire) y conducidas (necesitan un conductor).

Normativa de baja tensin Referida a la seguridad de los productos que usen tensiones entre 501.000 V AC y 751.500 V DC.

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Directivas europeas CE (2) Generalmente los equipos tienen que cumplir con las normativas europeas. Omron ha extendido esta normativa a su poltica de pruebas. Todos los nuevos componentes de Omron son conformes. Omron es capaz de proporcionar una Declaracin de Conformidad. Los productos que cumplen con la normativa llevan el marcado

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Homologaciones (1) En algunos pases es necesaria la aprobacin de los equipos elctricos por parte de alguna asociacin o laboratorio acreditado. CSA (Canadian Standards Association) UL (Underwriters Laboratory) Listing mark: La aprobacin del producto. Recognition mark: Tambin de los componentes internos. Es ms restrictiva.

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Homologaciones (2) CENELEC: Compatibilidad europea. NAMUR: Ambientes explosivos. DIN:Dimensiones, formas, cdigos de color. Alemana. VDE: Seguridad elctrica. IEC:Internacional. ISO.

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Fibra ptica (1) Es un conductor por el cual circula luz. Principio de operacin: Se basa en la reflexin total en el interior (ncleo).LED

Al final de la fibra la luz se dispersa. El ncleo interior puede ser de Plstico: 0.5 a 1mm. Se pueden cortar a medida. Gran Flexibilidad. Vidrio: de 50 micras.Multifibras.Peor curvatura y resistencia.

El ncleo est rodeado de una cubierta de proteccin: Plstico o Metal.61

Fibra ptica (2)Fibra estandarEs la ms usada. Suelen ser de plstico con cubierta de plstico.

Fibra coaxialReceptor Emisor

Dan una mayor precisin. El nclo central trasmite y las perifricas reciben la luz de cualquier direccin.

MultincleoCable ms flexible.

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Fibra ptica (3) Pueden detectar objetos muy pequeos del orden de micras. Las fibras de vidrio soportan altas temperaturas. Se pueden colocar en zonas peligrosas: no circula corriente, no son perturbadas por los campos electromagnticos. Amplificador separado. Con lentes se aumenta el alcance.

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Fibra ptica (4) Existe una gran variedad de cabezalesDeteccin lateral De rea o Zonal

De punto focal fijo

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Precauciones Conexin. Fuente de alimentacin. Operacin inicial. Cable. Montaje. Cargas.

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Conexin Si las lneas de entrada/salida de la fotoclula van por el mismo conducto que las lneas de potencia o alta tensin, el funcionamiento de la fotoclula puede ser defectuoso o incluso puede sufrir daos debido al ruido elctrico. Realizar un cableado separado o utilizar cables apantallados para las lneas de entrada/salida.

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Fuente de alimentacin Si se utiliza una fuente de alimentacin conmutada estndar, el terminal de masa FG y el terminal de tierra GR, se deben conectar a tierra. La fotoclula puede no funcionar correctamente debido al ruido producido por la fuente de alimentacin conmutada. Verificar la tensin de alimentacin y la polaridad soportada por la fotoclula. Los sensores pueden emitir un pulso al desconectar la alimentacin. Desconectar primero la carga.67

Operacin inicial Es necesario esperar un tiempo mximo de 100 ms desde que se conecta la alimentacin hasta que la fotoclula est preparada para detectar objetos. Si las cargas y la fotoclula se conectan a distintas fuentes, conectar primero la alimentacin de la fotoclula.

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Cable La longitud del cable se puede extender hasta 100 m, suponiendo que su seccin no disminuye de 0.3 mm. Aislar todo cable no utilizado de la fotoclula (cable salida de autodiagnstico). No permitir que el cable se curve repetidamente durante la aplicacin.

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Montaje (1) Para detectar objetos brillantes, es recomendable que el lado de deteccin forme un ngulo de 510 con la normal a la superficie del objeto. Cerca de una superficie brillante separar el sensor y formar un ngulo con la superficie brillante.

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Montaje (2) Montar el sensor de tal forma que no est alineado con la direccin del objeto a detectar o con los cambios bruscos de color. La direccin de deteccin debe ser perpendicular a la lnea que une el emisor y el receptor.71

Cargas Si la carga es capacitiva es necesario limitar la corriente de carga del condensador con una resistencia en serie. Si la carga incluye una lmpara incandescente, el valor de la resistencia en fro es del orden del 10% de la resistencia en caliente, lo que produce una corriente elevada en la conmutacin. Se debe poner una resistencia de precalentemiento.

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Aplicaciones (1)Automocin

La fibra ptica detecta si se ha Los parabrisas son fcilmente insertado un componente detectados con una fotoclula previo antes de continuar con para objetos transparentes. el ensamblaje.

Para la deteccin de larga distancia y ambientes de aceite y agua.

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Aplicaciones (2)Automocin Componentes

La presencia de neumticos en una cinta transportadora es fiable utilizando una fotoclula con supresin de fondo, que opera sin diferenciar el color.

La presencia de rugosidades Las cabezas de cuerpo plano se detecta con una cabeza de se pueden montar en fibra ptica por reflexin espacios reducidos. difusa. La rugosidad refleja el haz hacia el receptor.

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Aplicaciones (3)Componentes electrnicos

Mediante fibra de vidrio se Se chequea la correcta puede detectar un objeto en colocacin de un circuito integrado antes de proceder zonas de altas temperaturas. a la insercin. El chafln refleja la luz hacia el sensor.75

La posicin de los circuitos integrados se comprueba por la muesca en la parte frontal del cuerpo.


Una fotoclula de barrera utiliza el componente para reflejar el haz hacia el receptor en lugares de ezpacio restringido.

El tamao reducido del sensor Gracias al haz puntual de la permite colocarlo en espacios serie E3T se pueden detectar reducidos. pequeas diferencias de nivel.

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La presencia de obleas se puede detectar con las E3SR que detectan objetos transparentes.

Aadiendo lentes a la fibra ptica se pueden obtener haces de luz muy puntuales para detectar los pines de un circuito integrado.77

Se detecta la presencia de componentes diminutos para el conteo antes de su embalaje.

Aplicaciones (6)Alimentacin / Envase - embalaje

Deteccin de botellas opacas Deteccin estable de botellas mediante sensores de barrera. transparentes.

Deteccin de cartones mediante reflexin difusa.

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Con ayuda de fibra ptica se Las galletas sin cocer se puede detectar la presencia pueden detectar de pldoras. independientemente del color, la textura o el fondo, mediante supresin de fondo.

El sensor est ajustado para detectar el tapn de la botella. La distancia de deteccin se puede variar para botellas de distintos tamaos.

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Utilizando dos sensores se detecta la posicin correcta de la tapa.

Con un sensor de barrera se detecta si el bote de pastillas, medicamentos ha sido llenado.

Un sensor de sincronismo para detectar la botella y otro para detectar la etiqueta.

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Aplicaciones (9)Automatizacin

Detecta la presencia de un vehculo antes de elevarlo.

Comprueba la posicin correcta del vehculo para proseguir a su lavado.

Detecta la presencia del componente.

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Detecta las marcas de papel. Comprueba la presencia del precinto en el empaquetado.

Con un sensor de desplazamiento se comprueba la profundidad a la que est insertado el componente.

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La familia F3C puede detectar objetos situada debajo de los rodillos de una cinta de transporte.

Se puede detectar el grosor de las placas, o la superposicin de las mismas.

El grado de insercin de un tornillo se mide con un detector de posicin.

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Se detecta el bucle de tela / papel / metal en un tren o lnea de laminacin.

La presencia de un objeto que Podemos detectar hasta cuatro colores diferentes con bloquea la puerta de un ascensor se detecta mediante el mismo sensor. reflexin sobre espejo.

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Localizacin de averas (1) La salida no se activa aunque entre un objeto en la zona de deteccin. Conexin incorrecta Comprobar el borneo en la etiqueta y en el manual.

Alimentacin incorrecta Comprobar la alimentacin = . Cuidado con tensiones rectificadas, U=Ueficaz 2

Utilizacin incorrecta del reflector o deterioro Respetar las distancias. Limpiar el reflector.85

Localizacin de averas (2) Deja de detectar despus de estar funcionando un tiempo. Vibraciones y choques Alinear de nuevo emisor y receptor

Contacto del rel deteriorado En carga inductiva utilizar un limitador de cresta RC Se reomienda NO utilizar un rel para conteo rpido

Polvo, suciedad Limpiar las lentes y el espejo con un pao hmedo86

Localizacin de averas (3) Conmutacin intempestiva, haya o no objeto en la zona de deteccin. Influencia del plano posterior Ajustar la sensibilidad

Alcance incorrecto respecto al reflector u objeto Alinear los apartos. Limpiar lentes y reflector.

Influencia de la alimentacin, ruido Comprobar que la c.c. est filtrada correctamente. Separar los cables de la fotoclula de los de potencia.87

Localizacin de averas (4) Influencia del entorno Proteger contra el sol. Limpiar las lentes y reflector.

Tiempo de respuesta mayor del requerido Comprobar el tamao del objeto. Utilizar otro detector con mayor frecuencia de conmutacin.

Influencia de la temperatura Eliminar las fuentes de rayos infrarojos o proteger la caja con una pantalla trmica.

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