Válvulas Solenoides

1. Junio 2003
Válvulas de Solenoide
Juan Pablo Carvallo, René Vargas
Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Técnica Federico Santa María, Casilla 110-V, Valparaíso, Chile
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Resumen
Las válvulas de solenoide permiten un control on-off mediante variaciones de corriente eléctrica en su bobina. Son utilizadas
ampliamente en control de flujo en sistemas neumáticos.
Palabras Clave - Campo Electromagnético, Válvula, Solenoide, Diferencia de Presión.
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1. INTRODUCCION
En muchas aplicaciones es necesario controlar el paso
de algún tipo de flujo, desde corriente eléctrica hasta gases o
líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular,
las accionadas por solenoides permiten su implementación en
lugares de difícil acceso y facilitan la automatización del
proceso al ser accionadas eléctricamente.
¿Qué es una válvula de solenoide?
Este tipo de válvulas es controlada variando la
corriente que circula a través de un solenoide (conductor
ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta
corriente, al circular por el solenoide, genera un campo
magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas
válvulas operan de forma completamente abierta o
completamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las
Figura 1: Campo producido por una bobina.
que se controla el flujo en forma lineal.
Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo
vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o
por presión del fluido a controlar.
Electroimanes
El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, se
comporta como un electroimán. Atrae materiales
ferromagnéticos, producto de la alineación de momentos
magnéticos atómicos. El campo magnético, creado al circular
Figura 2: Movimiento del émbolo dentro de una bobina.
corriente por el solenoide, actúa sobre el émbolo móvil de
material magnético. Se produce una fuerza que ocasiona el
2. CLASIFICACIÓN
desplazamiento del émbolo permitiendo el cierre o apertura
de la válvula. En la Figura Nº1 se aprecia un esquema del
Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas
fenómeno. La bobina o solenoide genera un campo
ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin
magnético, de acuerdo a la Ley de Ampere:
embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación,
r r construcción o forma:
∫ H ⋅ dl = iabrazada Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante
Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o piloto.
núcleo móvil, tal como se aprecia en la Figura Nº2. Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente
La acción de esta fuerza de origen magnético cerrada.
constituye el principio de funcionamiento de toda válvula de Según su forma: De acuerdo al número de vías.
solenoide.
A continuación se profundizarán cada una de estas
categorías, detallando su funcionamiento y aplicación.

2. de acción directa se limitan a aplicaciones en las que se
3. VÁLVULAS DE SOLENOIDE DE ACCIÓN trabaja con diferencias de presiones y caudales pequeños.
DIRECTA Para grandes flujos y presiones se utilizan válvulas de
solenoide operadas por piloto.
En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla el
flujo debido al efecto de la fuerza de origen magnético
directamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas 4. VÁLVULAS DE SOLENOIDE OPERADAS POR
válvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la PILOTO
válvula de solenoide de acción directa, normalmente cerrada Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basan
de dos vías de la Figura Nº3. en una combinación de la bobina solenoide, descrita
anteriormente, y la presión de la línea o tubería. En este tipo
de válvulas, el émbolo está unido a un vástago de aguja, que
a su vez cubre un orificio piloto en vez del puerto principal.
En la Figura 4 se aprecia, a modo de ejemplo, una válvula de
solenoide operada por piloto, normalmente cerrada, de dos
vías con pistón flotante.
Figura 3: Válvula de Acción Directa.
En ella, al no circular corriente por la bobina, la aguja
asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio
deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un
campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo
atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta,
permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de la
corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Figura 4: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada
Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la de dos vías y pistón flotante
aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo
por la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que Existen tres tipos básicos de válvulas operadas por
permiten la instalación de la válvula en posiciones no piloto:
verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de
• Pistón Flotante.
gravedad.
• Diafragma Flotante.
Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de
• Diafragma Capturado.
presión entre la entrada y la salida del fluido, mayor tendrá
que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar
Los tres tipos de válvulas operan con el mismo
(o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula.
principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es
Debido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia
atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio
de presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este
piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba del
límite se conoce como “Diferencial Máximo de Presión de
pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto,
Apertura”.
creando así un desbalance de presión a través del pistón o
diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a la
Diferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD):
superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del
puerto principal.
Tal como se dijo anteriormente, mientras mayor sea la
diferencia de presiones entre la entrada y la salida, más
Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolo
fuerza será necesaria para abrir o cerrar la válvula. También,
cae y el vástago de aguja cierra el orificio piloto, provocando
mientras mayor sea el orificio de la válvula, mayor será el
la igualación de las presiones sobre y bajo el pistón o
área afectada por esta diferencia de presiones, haciendo aún
diafragma, los cuales caen para cerrar el puerto principal. En
más difíciles los movimientos de la aguja asociada al émbolo.
la Figura 5 es posible apreciar un diseño de válvula solenoide
Por lo tanto, dado la fuerza máxima con que el electroimán
idéntico al de la Figura 4, sólo que ésta posee un diafragma
puede atraer al émbolo, existe un límite para la diferencia de
flotante en vez de un pistón.
presiones entre la entrada y la salida. Si la presión excede
este límite, el solenoide será incapaz de mover al émbolo,
Es usual observar en válvulas de tamaño mediano, que
dejando a la válvula sin capacidad de actuación. Si se
el orificio piloto se localiza encima del pistón o del
requiere de un gran MOPD, la fuerza que deberá ejercer el
diafragma. En válvulas grandes, donde es mayor el
campo sobre el émbolo deberá ser grande. De esta manera,
movimiento del diafragma o pistón, es frecuente ubicar el
será necesaria una gran bobina, aumentando los costos de
orificio piloto en un punto alejado del dispositivo móvil, por
construcción de la válvula. Debido a lo anterior, las válvulas
cuestión de diseño práctico. Se aprecia en la Figura 6 como la

3. válvula solenoide piloto no hace contacto con el pistón, sino Ello exigiría una mayor fuerza magnética, lo que implica un
que maneja la presión que afecta a este a través de sus gasto excesivo en una bobina del tamaño adecuado.
conexiones a la línea y a la cámara piloto. De esta manera, Es por esto que en aplicaciones de actuación en
cuando la solenoide piloto está desenergizada, se acumula presencia de presiones mayores, se utilizan las válvulas de
presión alta en la cámara piloto, provista a través de una solenoide operadas por piloto. El objetivo de la actuación, la
conexión de alta presión, forzando la clausura del pistón. Al apertura del orificio piloto, es que sea realizada con el menor
energizarse el solenoide, se libera la presión de la cámara esfuerzo posible. Sin embargo, en las válvulas operadas por
piloto y se igualan las presiones, haciendo que el resorte piloto es necesario un diferencial de presión específico una
levante el pistón y abra la válvula. Estas válvulas son vez que el orificio piloto ha permitido la igualación de las
conocidas también como “operadas por piloto externo”, presiones de entrada y salida. Este MinOPD es requerido
dejando para las válvulas anteriores la denominación de para levantar al pistón o diafragma del puerto principal.
“operadas por piloto interno”. Es importante señalar que las válvulas operadas por
piloto, al igual que las de acción directa, deben evitar exceder
su MOPD, para lograr un flujo adecuado dentro de la línea.
Variantes para Válvulas de Solenoide:
Los principios de operación ya vistos se aplican a una
gran variedad de válvulas de solenoide, las cuales difieren
entre ellas según ciertas variantes mecánicas y de
construcción. Algunos ejemplos de estas variantes son:
• Émbolos de Carrera Corta: Están rígidamente
conectados a la aguja. Éstos siempre serán utilizados en
válvulas de acción directa.
• Émbolos de Carrera Larga: Dan un “golpe de martillo”
a la válvula al producirse la apertura.
• Construcción interconectada mecánicamente de pistón
a émbolo: Se utiliza cuando no hay disponible una
presión diferencial que haga flotar el pistón. Esta
construcción permite que una válvula de solenoide
relativamente grande abra y permanezca en posición
abierta, con una mínima caída de presión a través de la
Figura 5: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada válvula. Se usa principalmente en trabajos con líneas de
de dos vías y diafragma flotante succión.
• Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte: Se
utilizan en puertos de diámetros grandes.
5. VÁLVULAS DE DOS VIAS
De acuerdo a su forma, las válvulas se pueden clasificar
según la cantidad de entradas y/o salidas que ella posee. De
esta manera, los tres tipos principales de válvulas son las de
dos, tres y cuatro vías.
La válvula de dos vías es el tipo de válvula solenoide
más común, ya que posee una conexión de entrada y una de
salida, controlando el flujo del fluido en una sola línea. Ya se
ha explicado en profundidad el funcionamiento de válvulas
de acción directa y operadas por piloto y pistón, por lo que
ahora se dará una reseña del funcionamiento de las válvulas
con diafragma flotante.
En la Figura 7 se aprecia una válvula operada por piloto,
Figura 6: Válvula operada por piloto externo, normalmente normalmente cerrada y con diafragma flotante. Estas válvulas
cerrada de dos vías y pistón flotante poseen un orificio igualador que comunica la presión de la
entrada con la parte superior del diafragma, empujándolo
contra el asiento y manteniendo, de esta manera, cerrada la
Al igual que las válvulas de acción directa, se deben válvula. El orificio piloto debe ser más grande que el orificio
tener ciertas consideraciones sobre la relación entre las igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraído
presiones que afectan al pistón o diafragma. De esta forma, por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto,
las válvulas solenoide operadas por piloto requieren de una produciendo la reducción de la presión arriba del diafragma,
mínima diferencia de presiones entre la entrada y la salida igualándola con la de salida. El diferencial de presión
para producir la apertura del puerto principal y mantener al resultante a través del diafragma crea una fuerza que lo
pistón o diafragma en posición abierta. Esta diferencia de levanta del puerto principal generando la apertura de la
presiones es conocido como “Diferencial Mínimo de Presión válvula. Al desenergizar la bobina se cerrará el orificio
de Apertura”. piloto, provocando que la presión de entrada se vaya por el
agujero igualador y se igualen las presiones sobre y bajo el
Diferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD): diafragma. De esta forma, el dispositivo se volverá a sentar y
se cerrará la válvula.
Según se explicó, una válvula de acción directa no
puede actuar si las presiones de la tubería exceden su MOPD.

4. Otra especificación de las válvulas de solenoide
corresponde a agruparlas según su construcción, ya fuera
como normalmente abierta o normalmente cerrada.
Básicamente, para el caso de las válvulas solenoide la
especificación dependerá del sentido en que actúe la fuerza
de la bobina sobre el émbolo. Para la válvulas de acción
directa, en los casos en que la aplicación de energía a la
bobina abra el puerto principal se hablará de una situación
normalmente cerrada, ya que este será el estado de la válvula
desenergizada. Esto se aprecia en la Figura 8.
En cuanto a las válvulas operadas por piloto, será
normalmente abierta cuando el solenoide deba ser energizado
de tal forma que produzca un desequilibrio de presiones para
forzar el cerrado del pistón o diafragma. En algunos casos, la
válvula estará normalmente abierta gracias a un resorte que
forzará la apertura del pistón y ejercerá una fuerza opuesta a
la del émbolo. Se observa un válvula normalmente abierta en
la Figura 9.
La ventaja de las válvulas normalmente abiertas radica
en que permanecerán abiertas en caso de fallas en el sistema
eléctrico, algo necesario en algunos casos. Estas válvulas con
utilizadas especialmente en labores que requieren que haya
un flujo de fluido la mayor parte del tiempo.
Figura 8: Válvula de acción directa, normalmente abierta de
dos vías.
Figura 7: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada
de dos vías y diafragma flotante.
Figura 9: Válvula operada por piloto, normalmente abierta de
dos vías y diafragma flotante.

5. 6. VÁLVULAS DE TRES VIAS válvula reversible, mientras los puertos D y 2 mantienen el
flujo del fluido principal a través del deslizante de la válvula
Las válvulas de tres vías tienen una conexión de entrada de cuatro vías.
que es común a dos conexiones de salida distintas, como la
que se muestra en la Figura 10. Las válvulas de tres vías son,
básicamente, una combinación de la válvula de dos vías
normalmente cerrada y de la válvula de dos vías
normalmente abierta, en un solo cuerpo y con una sola
bobina. La mayoría de estas válvulas son operadas por piloto.
Figura 11: Válvula Solenoide de Cuatro Vías operada por
piloto externo.
Cuando el solenoide piloto se energiza, atrae hacia
arriba el pistón y produce la comunicación entre los puertos
Figura 10: Válvula Solenoide de Tres Vías operada por piloto A con D1 y los puertos B con S1. Esto produce una
externo acumulación de la alta presión de la línea de entrada en la
sección inferior del deslizante principal, mientras que la
Veamos su funcionamiento. Al estar la bobina sección superior está expuesta a presión relativamente baja
desenergizada, con el orificio piloto clausurado, en la parte del canal S. Con esto, el deslizante principal es empujado
superior del ensamble del pistón se tiene una presión P1, la hacia arriba, producto de la fuerza que aparece dada la
cual llega a través de la conexión piloto externa que se diferencia de presiones en los extremos del deslizante.
observa a la derecha y arriba de la figura. La parte inferior Finalmente, el flujo principal será sido desviado desde D
del pistón se encuentra directamente expuesta a la presión de hacia 1 y la válvula reversible ahora comunicará los puertos
la entrada, P2, produciéndose una diferencia de presiones P2 S y 2.
- P1 que levanta el pistón. Esto permite el flujo de fluido
desde la entrada hacia la salida inferior, ya que cierra el
puerto para la salida lateral y lo abre para la salida de abajo.
Para producir el efecto de desviación, se debe energizar
la bobina, con lo cual se levanta el émbolo y la aguja destapa
el orificio piloto. De esta forma, se permite el paso del fluido
presente en la entrada a través del tubo capilar y hacia la
parte superior del ensamble del pistón. Así, se consigue una
igualación de las presiones sobre y bajo el pistón, el cual es
finalmente empujado hacia abajo por un resorte ubicado
sobre éste. Se tendrá entonces que el puerto lateral se abre y
el inferior se cierra, con lo que flujo se moverá hacia la salida
lateral.
7. VALVULAS DE CUATRO VIAS
Estas válvulas solenoide son conocidas comúnmente
como válvulas reversibles, cuya forma más usual se aprecia
en la Figura 11. Éstas poseen una entrada y tres salidas.
El funcionamiento de la válvula de cuatro vías se detalla
en las Figuras 12 y 13, según el estado energético de la
bobina. Cuando la bobina de la válvula piloto se encuentra
sin energía, el pistón deslizante está posicionado de tal forma
que conecta los puertos B con D1 y S1 con A. De esta forma, Figura 12: Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Vías
la sección superior del deslizante principal está acumulando con bobina piloto desenergizada.
la presión alta presente en la línea de descarga D. Por otro
lado, la parte inferior del deslizante, provisto de un sello que
lo aísla de la sección superior, se encuentra expuesta a la
presión baja de la línea de succión S. Con esto, se genera un
desbalance de presiones en el deslizante principal que
provoca la fuerza que lo mantiene en su posición “abajo”. En
estas condiciones, se comunican los puertos S y 1 a modo de

6. 9. SELECCIÓN DE UNA VÁLVULA DE
SOLENOIDE
Al momento de elegir una válvula, debemos tomar en
cuenta los siguientes puntos:
1.- Fluido a controlar (características de viscosidad y pH)
2.- Rangos de Presión con los que se desea trabajar (MOPD y
MinOPD)
3.- Temperatura del fluido (y del medio externo).
4.- Tipo de cañería o conexión (tamaño y estilo).
5.- Características eléctricas de la válvula (rangos de voltaje
con que trabaja; CC o AC)
6.- Opciones específicas para la aplicación:
- Normalmente abierta o cerrada.
- Presión segura de trabajo (SWP)
- Con o sin vástago manual, etc.
Cabe destacar que, al momento de dimensionar la
válvula, se debe tener en cuenta la cantidad de flujo a
controlar, más que el ancho de la tubería. En este sentido, es
recomendado consultar las especificaciones del fabricante
Figura 13: Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Vías para cada válvula.
con bobina piloto energizada. Para válvulas de acción piloto, es vital que durante todo
el proceso la presión en las líneas esté dentro de los rangos de
MOPD y MinOPD. Si no se cumple este requerimiento, la
válvula no podrá controlar el flujo en todo momento. Para
8. MATERIALES UTILIZADOS EN SU válvulas de acción directa, sólo debemos tomar en cuenta que
CONSTRUCCIÓN la diferencia de presiones entre la entrada y la salida sea
menor a MOPD.
Con el objetivo de lograr escoger una válvula adecuada Como una consideración de seguridad, tampoco se
para cada aplicación, es necesario tener en cuenta los debe usar válvulas con SWP menor al máximo de presión
materiales utilizados en su construcción. De esto dependerá esperado en las líneas.
el tipo de trabajo que deberá desempeñar. Es importante también tener en cuenta el tipo de
Los materiales utilizados se escogen con el fin de ser líquido con el que se trabaja, de forma de utilizar válvulas
compatibles con el tipo de fluido, lograr la máxima cuyos materiales de construcción sean compatibles con cada
confiabilidad y tiempo de vida útil y minimizar sus costos. A aplicación.
continuación se detallan algunos materiales usados en cada Desde luego, es necesario tener en cuenta el tipo de
componente de una válvula de solenoide: alimentación con que trabaja la válvula (Rango de Voltaje y
Frecuencia). No cumplir con estos rangos puede causar daño
Cuerpo de la válvula: permanente en la bobina inutilizando la válvula. En este
sentido, a modo de sugerencia, se recuerda que no es
En fluidos neutros se utiliza bronce o lata. Para fluidos conveniente polarizar la bobina del solenoide al mismo
a altas temperaturas (o vapor por ejemplo) se usa acero o tiempo que se conecta a la alimentación un motor de gran
acero inoxidable (más resistente a la corrosión). En algunas potencia (bobina) dado que este causa variaciones
aplicaciones, con el objetivo de disminuir los costos, se importantes en el nivel de voltaje aplicado al solenoide.
utilizan materiales plásticos o PVC (por ejemplo).
Bobina:
La bobina se construye en general a partir de
conductores de cobre aislados. La zona del émbolo móvil que Instalación de la válvula
entra en contacto con el fluido, por lo general corresponde a
acero inoxidable. Des esta manera se logra resistencia a la Sobre la instalación de la válvula, cabe recordar que la
corrosión. mayoría está diseñada para trabajar en líneas horizontales,
con la bobina en la parte superior. Existen válvulas,
Materiales sellantes: equipadas con resortes, que permiten su instalación en
cualquier posición. Otra consideración relevante es que se
Los factores que intervienen en la elección de este debe respetar la dirección del fluido en la instalación. Este
material son las condiciones de temperatura, químicas y debe coincidir con la flecha que generalmente se encuentra
mecánicas de cada aplicación en particular. Para fluidos en el cuerpo de la válvula. También, es conveniente instalar
neutros con temperaturas bajas, por lo general se utiliza un filtro antes de la válvula, con el objetivo de filtrar
Viton. Para trabajo con altas temperaturas se utiliza EPDM y partículas extrañas.
PTFE, materiales que ofrecen gran resistencia ante
condiciones adversas de temperatura y acidez.

7. 10. APLICACIONES También se puede obtener la acción inversa intercambiando
el sentido de la apertura de la válvula en relación al nivel
Las válvulas de solenoide tienen múltiples aplicaciones, máximo y mínimo
dada su versatilidad como actuador en controles on-off. Se
expondrán dos aplicaciones simples donde la válvula
solenoide juega un papel importante. Bombas de Calor
Control de Nivel de Líquido Una bomba de calor es un equipo central
acondicionador de aire, con ciclo reversible. En el verano, el
Si desean manipular el nivel de líquido dentro de un refrigerante absorbe calor del interior de la casa y lo expulsa
estanque o recipiente, se puede colocar una válvula de al exterior. En el invierno, el ciclo se invierte, el refrigerante
solenoide para líquido, seguida de una válvula de expansión absorbe calor del exterior y lo libera dentro de la casa. El
manual. La línea de líquido conduce a un recipiente o condensador y el evaporador son obligados a intercambiar
tambor, en el cual el nivel de fluido está controlado por un funciones, invirtiendo el flujo de refrigerante. Para realizar
interruptor de flotador, como se muestra en la Figura 14. La este proceso se utilizará una válvula de cuatro vías.
válvula de solenoide para líquido es accionada por el En la Figura 15, el sistema está en el ciclo de
interruptor del flotador. Cuando el nivel del líquido baja a un calefacción, con el gas de descarga fluyendo a través de los
nivel predeterminado, el interruptor abre la válvula. Al puertos de la válvula reversible "D" a "2", haciendo que el
alcanzarse el nivel deseado, el interruptor cierra la válvula. serpentín interior funcione como condensador. El gas de
succión fluye del serpentín exterior (evaporador), a través de
los puertos de la válvula reversible "1"a "S", y de regreso al
compresor.
En la Figura 16, el sistema ha cambiado ahora el ciclo
de enfriamiento, y el gas de descarga fluye a través de los
puertos de la válvula reversible "D" a "1", haciendo que el
serpentín exterior funcione como condensador, el gas de
succión funcione a través de los puertos "2" a "S", y el
serpentín interior es el evaporador.
Figura 14: Control de Nivel de Líquido.
Figura 15 Ciclo de Calefacción.

8. Figura 16 Ciclo de Enfriamiento.