II. Planteamiento y Análisis del problema

CONCURSO DE TRABAJOS ESTUDIANTILES IEEE, JUNIO 2004
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Detección de Cruce Cero y Control del Ángulo
de Disparo de una Carga Resistiva Utilizando
un Microcontrolador
RABO, Miembro, IEEE Rama Estudiantil

Extracto—El control de intensidad de una carga resistiva, p.e.,
un bombillo, es efectuado utilizando un circuito de detección de
cruce cero de una señal alterna. El cruce, es captado por un
microcontrolador y calibra el sistema para disparar un tríac
dependiendo del estado de una placa sensitiva con secuencias de
toque de encendido/apagado, subida o bajada.
El sistema, es otra alternativa al control analógico del ángulo
de disparo de tríacs que utiliza elementos pasivos; con un
microcontrolador se le han agregado características interesantes
como el control sensitivo por una sola terminal.
Términos
Indicados—Detección
de
microcontrolador, tríac, ángulo de disparo.
cruce
saber cuando se da el cruce cero, podemos retardar el tiempo
el cual queremos encender el tríac (tiempo de retardo), por
consiguiente, tendremos un voltaje RMS menor al de la línea
por la conmutación del tríac, variando el voltaje aplicado a la
carga.
Esta aplicación enfoca el uso de un microcontrolador a
manera de reemplazar el control analógico para realizar un
“Light Dimmer”, ver Fig. 1. Además, demuestra el concepto
del control del ángulo de disparo, conducción, y un circuito
práctico de bajo costo de detección de cruce por cero.
cero,
I. INTRODUCCIÓN
T
RÍACS, SCR y otros tiristores son dispositivos
semiconductores que presentan un comportamiento de
encendido y apagado inherente. La característica principal de
un tríac es poder conducir corriente en cualquiera de las dos
direcciones [1].
Construir un circuito que detecte cuando la señal alterna
cruza por cero, para control de los tríacs, es la problemática
principal de entrada, cuya solución es un circuito rectificador
de onda completa que generará una señal de aviso hacia el
microcontrolador [2].
Con el pasar de los años, se han estado utilizando
microcontroladores, que están reemplazando el control
analógico, por un control digital de bajo costo. Estos
dispositivos controlan eventos, por ejemplo, la temperatura de
un lugar o el encendido y apagado de dispositivos.
Utilizando componentes discretos, el diseñador está
encajonado a un solo fin, mientras que un sistema con
microcontrolador puede variar según las ideas y
modificaciones siendo un microcontrolador configurable por
programación [3].
Luego, que nuestro microcontrolador tenga la capacidad de
Manuscrito recibido el 30 de Junio, 2004. Este trabajo estudiantil fue
presentado como parte de laboratorios demostrativamente
El autor ha definido el uso del tema desarrollado como práctica a
laboratorios afines a materias como Electrónica de Potencia o Control. A su
vez, el autor, hace trabajo voluntario en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de
la Universidad de su país y realizado exposiciones entre compañeros y
profesores.
Fig. 1. Diagrama de Bloques del Problema. Se detecta el pulso y retarda el
tiempo deseado, luego se envía una señal de disparo al tríac.
II. PLANTEAMIENTO Y ANÁLISIS DEL PROBLEMA
A. Problemática
Uno de los principales problemas al utilizar
microcontroladores y controlar cargas de 120V es
precisamente, detector el momento que una señal alterna pasa
por justamente el cero, y así acordar el tiempo a retardar el
disparo del tríac. Para esto se consideran ciertos circuitos de
detección:
1. Rectificación de media onda u onda completa
utilizando un comparador.
2. Rectificación de media onda u onda completa y
uso de un transistor tipo Darlington.
Se eligió la situación dos (2), ver Fig. 2, pues uno de los
significados de la electrónica es reducir el circuito a su mínima
expresión y abaratar costos.
Seguido, el microcontrolador procesa la señal, pero el
circuito necesita aislar la sección de control (bajo voltaje), de
potencia (voltaje ac), con el cual se protege mediante
optoacopladores.
Finalmente, la acción del microcontrolador es esperar una
señal de entrada, sensitiva, que decide los diferentes niveles de
secuencia de activación.
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B. Ecuaciones
El diseño de los circuitos fue extraido de circuitos
aplicativos a la hoja del fabricante de cada dispositivo, a
excepción del detector de cruce cero. Estas ecuaciones de
diseño dependen de:
(1)
Siendo RLOAD, la resistencia de carga R2 en la Fig. 2, necesaria
para tener una señal rectificada, Vd que es la caída de voltaje
real a través del diodo; Vs, el voltaje máximo en el secundario
del transformador, e Id, la correspondiente corriente a través
del mismo diodo.
Rb (Vs  Vd  Vdar ) / I b
(2)
Del mismo modo, se necesita una resistencia Rb para limitar
la corriente a amplificar por el Darlinton (arreglo de
transistores en la Fig. 2.), siendo Vdar, el voltaje a través de la
base del Darlington, que se puede asumir 2Vd, e Ib, la
correspondiente corriente de base a amplificar. Rb equivale a
la resistencia R3 de la Fig. 2.
La resistencia R4 es un “pull-up”, necesario para ver un
estado cercano a los 5V si no se ha activado el transistor.
III. IMPLEMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN
A. Hardware
El detector de cruce por cero nos permite saber, el
momento justo de cuando la señal pasa por un valor cercano al
cero.
5V
R4
5.1k
5.1k
-120/120V
D5
19.5TO1CT 1N4148
120
60 Hz
6
6
CT-XFMR
D4
1N4148
U1
Placa Sensitiva
PTD4
Q1
2N7000
(a)
R1
22M
RST
PTA5
PTD4
PTD5
PTD2
PTA4
PTD3
PTB0
PTB1
PTD1
PTB2
PTB3
PTD0
PTB4
IRQ
PTA0
VSS
OSC1
OSC2
PTA1
VDD
PTA2
PTA3
PTB7
PTB6
PTB5
PTD7
PTD6
C2
22pF
VSS
R7
10M
XTAL
5MHZ
22pF
C3
OPTO
(b)
68HC908 JL3
Fig. 3. Circuito de Microcontrolador. Aquí, en la terminal PTD4, llega el
pulso de cruce cero. Terminal: (a) Placa sensitiva . (b) Señal de activación
del optoacoplador.
Para tener una secuencia ascendente y descendente por un
pin, se implementó una placa sensitiva. Sin embargo, no se
deben utilizar transistores pues estos dispositivos amplifican
corriente, el pulso que se genera al tocar es de poca corriente.
El autor muestra la implementación, ver Fig. 3 (a), con un
FET, que maneja voltaje y tiene una alta impedancia de
entrada, lo que asegura amplificar una señal tan débil de
energía como el dedo.
La señal procesada por el microcontrolador, que es una
computadora monopastilla, y es una electrónica digital de tipo
programable [4], esta señal se ajusta, y dependiendo del estado
del la placa sensitiva genera gracias al software un pulso de
salida, ver Fig. 3 (b) que puede variar el disparo del
optoacoplador y este al tríac, ver Fig. 4 (a) y (b)
respectivamente.
(b)
PTD4
R5
470
Q2
2N2222
Q3
2N2222
R2
6.8k
FWR
Fig. 2. Circuito Detector de Cruce Cero. Terminal: (a) Señal de Onda
Completa . (b) Pulso de Cruce por Cero.
Por consiguiente, la primera parte, ver Fig. 2, es acoplar el
voltaje a uno menor por medio de un transformador y evitar
una corriente peligrosa si se está en contacto directo con el
circuito.
Los diodos y la resistencia R2, permiten generar una señal
de onda completa, ver Fig. 6 (a), y el resistor R3 limitar la
corriente de base de los transistores. Se eligió un arreglo
Darlington para amplificar y generar el cruce por cero, ver Fig.
6 (b), para que conduzcan rápidamente de apagados a
encendidos.
OPTO
(a)
MOC3010
L1
Q4
2n6073
R6
180
AC
R3
C1
0.1uF
5V
(b)
(a)
C4
0.1uF
AC
RLOAD  (Vs  Vd ) / I d
VDD
5V
Reset
120V~ 60Hz
Fig. 4. Interface a Potencia. (a) El microcontrolador activa el optoacoplador
y enciende al tríac por el resto del período a conducir. (b) El tríac conmuta a
la acción de la señal del microcontrolador.
Al analizar la Fig. 4, la señal proveniente del
microcontrolador genera el disparo del tríac y este sencillo
esquema nos permite aislar la sección de control
(microcontrolador) de potencia (carga), en el caso actual, el
bombillo.
B. Software
El software es autónomo y funciona como se ve en la Fig. 5:
1. Si se presiona una vez, se enciende.
2. Si presiona nuevamente apaga.
3. Si al presionar, estaba encendido, este desciende;
por otro lado, si estaba apagado, asciende.
4. Si en la secuencia de control de intensidad se
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5.
6.
mantiene presionado, desciende y asciende hasta
dejar de apretar.
Si suelta y estaba ascendiendo, y mantiene
nuevamente, cambia de sentido de control de
intensidad.
Si se vence el tiempo en ud. suelte, p.e. un (1)
segundo y tocó, si estaba ascendiendo, apago; en el
proceso contrario, enciendo.
3
IV. FORMAS DE ONDA DE LA APLICACIÓN
Para el circuito mostrado anteriormente, el Detector de
Cruce por Cero, Fig. 2:
(a)
(b)
(a)
Fig. 6. Señales de Circuito Detector de Cruce Cero. En la Fig. 2: (a) Señal
de Onda Completa . (b) Pulso de Cruce por Cero.
La señal denominada (a) en la Fig. 6, se le llama onda
rectificada, es el resultado de tener una componente dc
pulsante a la salida de los diodos, en la resistencia R2; mientras
que la señal denominada como (b) es el necesario pulso cero.
Cabe destacar que no es un cruce cero neto por la caída de
voltaje de los diodos y el Darlington.
Para el circuito anterior de la Fig. 3, solo observe la señal de
activación del tríac denominada (a).
(b)
(a)
(b)
(c)
Fig. 7. Señal de activación del Tríac. En la Fig. 4: (a) Señal de activación
del optoacoplador al tríac. En la Fig. 2: (b) Pulso de Cruce por Cero.
La señal de la Fig. 7 (a) corresponde al pulso de activación
del optoacoplador, que dispara a su vez el tríac.
Fig. 5. Diagrama de Flujo. (a) Programa Principal. (b) Detección del
Período. (c) Secuencias. Control de secuencias ascendente, descendente,
encendido y apagado.
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terminales no sea suficiente para mantener la carga (bombillo)
encendida.
(1)
V. CONCLUSIÓN
Remplazando circuitos analógicos convencionales por el
uso de un microcontrolador, se detecta y controla una señal
alterna, variando así el ángulo de conducción de la señal
causando la disminución del voltaje RMS. Para reducir la
relación beneficio-costo, se recomienda cambiar a un
microcontrolador de menor cantidad de pines y que posea
oscilador interno.
Fig. 8. Onda Controlada, 10%. Señal de las terminales del bombillo, Fig. 4,
(b).
RECONOCIMIENTO
El tiempo de retardo de disparo del tríac es el tiempo en que la
carga permanece sin activarse y que en las terminales del tríac
posee el voltaje de la línea de ca, ver Fig. 8 (1).
Al autor le gustaría agradecer al Ing. Melanio Castillo, Ing.
Oscar Ellis y la estudiante Clevis Lozano por extensivas
discusiones sobre el tema.
REFERENCIAS
[1]
(2)
[2]
[3]
[4]
[5]
Fig. 9. Onda Controlada, 50%. Señal de las terminales del bombillo, Fig. 4,
(b).
Cuando el tríac se dispara, o enciende, este se vuelve un
interruptor cerrado, en este instante el tríac empieza a conducir
y el voltaje aparece en la carga, en este caso, el bombillo, ver
Fig. 9 (2).
Fig. 10. Onda Controlada, 90%. Señal de las terminales del bombillo, Fig. 4,
(b).
Una de las principales características de los tríacs es conducir
corriente en ambos sentidos. Para que el tríac empiece a
conducir, necesita de un pequeño pulso, ver Fig. 7 (a), y este
mantiene la carga encendida, ver Fig. 9, hasta que la corriente
de su terminal de control baje por debajo de un valor mínimo,
comúnmente unos cuantos miliamperios, o el voltaje en
T. J. Maloney, “Electrónica Industrial Moderna,” 3ra ed., Ed.
Prentince-Hall, 1997, págs. 193–197.
S.-S., “Circuitos Microelectrónicos”, 4ta ed., Oxford University Press,
1999, págs. 179–190.
AN392, P. RABIER/L. PERIER, (Septiembre de 1992),
“Microcontroller and Triacs on the 110/240V Mains”.
Disponible: http://www.stmcu.com/mcdfiles/1863.pdf
Understanding Small Microcontrollers. M68HC05TB/D Rev. 2.0,
Motorola Semiconductors Page.
Disponible en:
http://ewww.motorola.com/files/microcontrollers/doc/ref_manual/M68HC05T
B.pdf.
HCMOS Microcontroller Unit. M68HC908JL3/H Rev. 4, Motorola
Semiconductors Page. Disponible
en:
htp://ewww.motorola.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC68HC08J
L3.pdf .
RABO es miembro actual de la IEEE rama
estudiantil de la República de Panamá y
aspirante a un título de Ingeniería en la
Universidad de su país. Va a obtener su título
en Lic. Ing. para el año 20(_)(_).
Él, espera e investigar en áreas afines a la
electrónica digital.
El Sr. RABO aspira a ser útil en la industria
de Automatización y Control de su país y es
miembro activo de la IEEE Rama Estudiantil.