Que tal, ésta entrada es la primera del año 2015 en éste blog. En la presente ocasión, la información que aquí se presenta servirá como referencia para la materia de Microcontroladores (que estoy impartiendo en estas fechas), a través de ella, se intentará mostrar el cómo realizar un proyecto con microcontrolador PIC.
Por cuestiones de trabajo, no he tenido tiempo de colocar la segunda parte de este diseño. Pero al final de esta entrada, se ha colocado un link (contiene publicidad) donde pueden descargar el código en lenguaje C y el diagrama mejorado de este dimmer digital.
El proyecto consistirá en hacer variar la intensidad de un foco de 60W - 100W conectado a una fuente de corriente alterna (CA), a éste circuito comúnmente se le conoce como dimmer. Y el circuito completo se ha dividido en las siguientes cuatro etapas o bloques:
1. Detector de cruce por cero (o paso por cero).
2. Etapa de control.
3. Etapa de potencia.
4. Fuente de alimentación.
Antes de comenzar con la descripción de cada uno de los bloques, primero se expondrá un poco de teoría sobre el funcionamiento de un dimmer.
Como se mencionó, el dimmer es un circuito que funciona con corriente alterna (CA), y como seguro se recordará, la corriente alterna posee los siguientes elementos:
Figura 1. Elementos básicos de una onda senoidal.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
Donde:
Es el voltaje pico, se puede decir que, es el voltaje máximo alcanzado durante el semiciclo positivo o semiciclo negativo de la onda senoidal. Se obtiene multiplicando 
.
Root Mean Square o valor cuadrático medio, se define como el valor de una señal de cd que entregaría la misma potencia si sustituyera a la onda variable en cuestión, se obtiene dividiendo
.
Es la frecuencia o número de ciclos que suceden durante 1 segundo (ciclos por segundo), cuya unidad de medida es el hertz (Hz, denominado así en honor a Heinrich Hertz). Se obtiene mediante
.
Es el periodo o el tiempo de duración de un ciclo, expresado en segundos. Se obtiene mediante
.En los hogares mexicanos, el voltaje de CA más común que suministra la empresa gubernamental (que tiene presencia prácticamente en el 98% del territorio nacional), llamada Comisión Federal de Electricidad (CFE); posee los siguientes parámetros: Voltaje monofásico de 2 hilos,
= 115 a 130 VCA, 
= 60 Hz aproximadamente. Y cuya señal visualizada mediante un osciloscopio, se muestra a continuación:
Figura 2. Onda senoidal visualizada en un osciloscopio digital.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
El dimmer conectado a la corriente alterna (CA), permite controlar mediante una perilla (o por un elemento que se desliza), la intensidad luminosa de las lámparas incandescentes o focos, y cuya forma básica de conexión se muestra en la siguiente imagen:
Figura 3. Forma básica de conectar un Dimmer
(Para expandir, clic sobre la imagen).
Para controlar el brillo, el dimmer limita la corriente hacia el foco utilizando un resistor variable, o hace abrir/cerrar un "interruptor" de estado sólido en determinado tiempo de la señal senoidal, para que la lámpara reciba sólo una porción del voltaje pico, por lo regular en la segunda forma, el circuito consta de un arreglo de resistores, capacitores, diodos y tiristores (normalmente TRIACS, porque conducen la corriente en ambos sentidos), un ejemplo del circuito de un dimmer sencillo se muestra a continuación:
Figura 4. Circuito de un dimmer, utilizando un TRIAC MAC12N.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
La construcción de forma física del circuito anterior, se muestra en la siguiente imagen:
Y el video de funcionamiento del circuito, es el siguiente:
1. Detector de cruce por cero (o paso por cero).
Comenzando con la descripción de las etapas del circuito del dimmer, la primera que se intenta construir es un detector de cruce por cero, que quiere decir ésto; que es un circuito que generará una señal o pulso (que para éste caso tendrá una amplitud de 5VCD), cada vez que la onda senoidal (Figura 1) alcance un voltaje mínimo (aproximadamente 0 VCA), éste pulso le indicará al microcontrolador (bloque de control) que la señal senoidal ha cruzado por cero, y generar un retardo determinado antes de activar un TRIAC (etapa de potencia), para que éste último pase a un estado de conducción, y la carga (foco) perciba un determinado porcentaje de la onda senoidal.
Para diseñar el detector de cruce por cero, se supondrá lo siguiente:
1. El detector estará conectado a las terminales + y - de un puente rectificador con diodos (WB152 o el 2W04), y éste último estará conectado al devanado secundario de un transformador reductor de 127 a 9VCA.
2. El circuito a utilizar para el detector será un optoacoplador matrícula 4N25.
Por otra parte, el circuito propuesto para el detector es el siguiente:
4. Fuente de alimentación.
El último bloque que será el encargado de suministrar la energía a todo el circuito, será construido de forma sencilla, utilizando un regulador LM7805 (debido a que la mayoría de los componentes del circuito funcionan con 5VCC) con sus correspondientes capacitores, ésto se ha estimado tomando en cuenta los componentes que conforman el dimmer, por lo que el consumo de corriente esperado será menor a 1 Ampere.
El circuito de la fuente de alimentación queda como se muestra en la siguiente figura:
Por último, el diagrama final del proyecto se muestra a continuación:
Nota: En el diagrama se han hecho modificaciones a los componentes reales seleccionados para que la simulación sea lo más fiel posible a la realidad, para la distribución correcta de pines de los circuitos integrados, se recomienda consultar las hojas de especificaciones (Datasheet) de los mismos.
Figura 5. Circuito de un dimmer ensamblado en un protoboard.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
1. Detector de cruce por cero (o paso por cero).
Comenzando con la descripción de las etapas del circuito del dimmer, la primera que se intenta construir es un detector de cruce por cero, que quiere decir ésto; que es un circuito que generará una señal o pulso (que para éste caso tendrá una amplitud de 5VCD), cada vez que la onda senoidal (Figura 1) alcance un voltaje mínimo (aproximadamente 0 VCA), éste pulso le indicará al microcontrolador (bloque de control) que la señal senoidal ha cruzado por cero, y generar un retardo determinado antes de activar un TRIAC (etapa de potencia), para que éste último pase a un estado de conducción, y la carga (foco) perciba un determinado porcentaje de la onda senoidal.
Para diseñar el detector de cruce por cero, se supondrá lo siguiente:
1. El detector estará conectado a las terminales + y - de un puente rectificador con diodos (WB152 o el 2W04), y éste último estará conectado al devanado secundario de un transformador reductor de 127 a 9VCA.
2. El circuito a utilizar para el detector será un optoacoplador matrícula 4N25.
Por otra parte, el circuito propuesto para el detector es el siguiente:
Figura 6. Circuito propuesto para el detector de cruce por cero.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
Como se observa, el único elemento del circuito cuyo valor no ha sido asignado, es del resistor limitador de corriente (R); para calcular el valor de dicho resistor se considerará que el en el devanado secundario del transformador ≈ 9 VCA, por lo que el
será
. Al pasar por el puente rectificador de diodos,sufre una pérdida, quedando un voltaje menor, el cual se estima mediante
. Posteriormente, al tener la señal senoidal rectificada, los semiciclos positivos alcanzarán un voltaje pico de 8.102 VCD; y como dicho voltaje se distribuirá entre las terminales de R y el LED del 4N25, se consultan las hojas de especificaciones de éste último, para saber la corriente y el voltaje (
,
) necesarios, para el correcto funcionamiento del LED y poder estimar el valor de R.
en el devanado secundario del transformador ≈ 9 VCA, por lo que el será. Al pasar por el puente rectificador de diodos,sufre una pérdida, quedando un voltaje menor, el cual se estima mediante. Posteriormente, al tener la señal senoidal rectificada, los semiciclos positivos alcanzarán un voltaje pico de 8.102 VCD; y como dicho voltaje se distribuirá entre las terminales de R y el LED del 4N25, se consultan las hojas de especificaciones de éste último, para saber la corriente y el voltaje ( ,) necesarios, para el correcto funcionamiento del LED y poder estimar el valor de R.
Nota: El derecho de autor de ésta hoja de datos pertenece a VISHAY y en éste caso, sólo se usa con fines de información.
Note: The Copyright of this Datasheet belongs to VISHAY and is provided for information only.
En éste caso, habrá que tomar los valores máximos que marca el fabricante:= 60 mA,= 1.5 V. Y para calcular el valor de R, se empleará la siguiente fórmula (Fórmula No.1):
Como se ha calculado, el valor de R es de 110 ohms. Para calcular la potencia máxima (cuando el voltaje pico rectificado alcance el máximo) que disipará R, se tiene que (Fórmula No.2):
La potencia que disiparía R sería de 0.4 W, pero como éste detector de cruce por cero también se espera que pueda conectarse a un transformador de 127 a 12 VCA, el valor de R seleccionado para el circuito final, será de 220 ohms a 1 W. Por lo que el circuito del detector de cruce por cero queda como se muestra a continuación (como se conecta para la simulación):
A continuación se muestra un video con la simulación del detector, así como su funcionamiento real:
Los pulsos que se generan procedentes del detector, tienen una amplitud de 5 VCD y una duración aproximada de 880 a 980 microsegundos, como se muestra en la siguientes imágenes:
Observaciones: El resistor de 220 ohms a 1W incrementa su temperatura después de 5 minutos de funcionamiento del circuito, por lo que se recomienda cambiar la capacidad de disipar calor a 2W o una capacidad superior.
2. Etapa de control.
La siguiente etapa, que será la encargada de controlar el encendido o "disparo" del TRIAC y también de mostrar en un display de 7 segmentos, los números del 0 al 3 para determinar en que escala de luminosidad se encontrará el foco, éste bloque se intentará construir utilizando un microcontrolador PIC, se sugiere el uso del PIC16F84A o del PIC16F628A, para ello el microcontrolador tendrá las señales distribuidas de la siguiente manera:
1. Botón de reset del sistema (MCLR).
2. Botón de encendido/apagado del foco (RB1).
3. Señal del detector de cruce por cero (RB0).
4. Pines de control para el display de 7 segmentos (RA0 y RA1).
5. Pin para el control de la etapa de potencia (RA2).
El circuito propuesto para la etapa de control se muestra a continuación:
3. Etapa de potencia.
La etapa de potencia (que será la encargada de energizar el foco), estará constituida por un optoaclopador MOC3011, ésto permitirá tener un aislamiento óptico entre la etapa de control (que funciona con VCD y VCC) y la etapa de potencia (que funciona con VCA); para evitar daños al microcontrolador si es que llegase a presentarse algún problema con el foco.
El optoacoplador MOC3011, recibirá un pulso procedente del pin RA2 del microcontrolador, para activar (o disparar) un TRIAC MAC12N, y así encender el foco en determinado instante de la onda senoidal.
El circuito propuesto para la etapa de potencia, es el que se muestra en la siguiente figura:
Como se observa en la Figura 11, falta calcular el valor de R13, para ello; se utilizarán los valores máximos del Peak Repetitive Surge Current del MOC3011 y del Gate Trigger Current del MAC12N, cuyas hojas de especificaciones se muestran a continuación:
Nota: El derecho de autor de ésta hoja de datos pertenece a FAIRCHILD SEMICONDUCTOR y en éste caso, sólo se usa con fines de información.
Note: The Copyright of this Datasheet belongs to FAIRCHILD SEMICONDUCTOR and is provided for information only.
Nota: El derecho de autor de ésta hoja de datos pertenece a ON SEMICONDUCTOR y en éste caso, sólo se usa con fines de información.
Note: The Copyright of this Datasheet belongs to ON SEMICONDUCTOR and is provided for information only.
= 60 mA,= 1.5 V. Y para calcular el valor de R, se empleará la siguiente fórmula (Fórmula No.1):
(Para expandir, clic sobre la imagen).
(Para expandir, clic sobre la imagen).
La potencia que disiparía R sería de 0.4 W, pero como éste detector de cruce por cero también se espera que pueda conectarse a un transformador de 127 a 12 VCA, el valor de R seleccionado para el circuito final, será de 220 ohms a 1 W. Por lo que el circuito del detector de cruce por cero queda como se muestra a continuación (como se conecta para la simulación):
Figura 7. Circuito final para el detector de cruce por cero.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
A continuación se muestra un video con la simulación del detector, así como su funcionamiento real:
Figura 8. Señales procedentes del rectificador con diodos (canal 1 del osciloscopio) y del detector de cruce por cero (canal 2 del osciloscopio).
(Para expandir, clic sobre la imagen).
Figura 9. Medida de la duración del pulso procedente del detector de cruce por cero (canal 2 del osciloscopio).
(Para expandir, clic sobre la imagen).
Observaciones: El resistor de 220 ohms a 1W incrementa su temperatura después de 5 minutos de funcionamiento del circuito, por lo que se recomienda cambiar la capacidad de disipar calor a 2W o una capacidad superior.
2. Etapa de control.
La siguiente etapa, que será la encargada de controlar el encendido o "disparo" del TRIAC y también de mostrar en un display de 7 segmentos, los números del 0 al 3 para determinar en que escala de luminosidad se encontrará el foco, éste bloque se intentará construir utilizando un microcontrolador PIC, se sugiere el uso del PIC16F84A o del PIC16F628A, para ello el microcontrolador tendrá las señales distribuidas de la siguiente manera:
1. Botón de reset del sistema (MCLR).
2. Botón de encendido/apagado del foco (RB1).
3. Señal del detector de cruce por cero (RB0).
4. Pines de control para el display de 7 segmentos (RA0 y RA1).
5. Pin para el control de la etapa de potencia (RA2).
El circuito propuesto para la etapa de control se muestra a continuación:
Figura 10. Circuito de control del dimmer.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
3. Etapa de potencia.
La etapa de potencia (que será la encargada de energizar el foco), estará constituida por un optoaclopador MOC3011, ésto permitirá tener un aislamiento óptico entre la etapa de control (que funciona con VCD y VCC) y la etapa de potencia (que funciona con VCA); para evitar daños al microcontrolador si es que llegase a presentarse algún problema con el foco.
El optoacoplador MOC3011, recibirá un pulso procedente del pin RA2 del microcontrolador, para activar (o disparar) un TRIAC MAC12N, y así encender el foco en determinado instante de la onda senoidal.
El circuito propuesto para la etapa de potencia, es el que se muestra en la siguiente figura:
Figura 11. Circuito propuesto para la etapa de potencia.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
Como se observa en la Figura 11, falta calcular el valor de R13, para ello; se utilizarán los valores máximos del Peak Repetitive Surge Current del MOC3011 y del Gate Trigger Current del MAC12N, cuyas hojas de especificaciones se muestran a continuación:
Nota: El derecho de autor de ésta hoja de datos pertenece a FAIRCHILD SEMICONDUCTOR y en éste caso, sólo se usa con fines de información.
Note: The Copyright of this Datasheet belongs to FAIRCHILD SEMICONDUCTOR and is provided for information only.
Nota: El derecho de autor de ésta hoja de datos pertenece a ON SEMICONDUCTOR y en éste caso, sólo se usa con fines de información.
Note: The Copyright of this Datasheet belongs to ON SEMICONDUCTOR and is provided for information only.
Para estimar el valor de R13, se han consultado (22/02/15) las fórmulas y diagramas planteados en los siguientes documentos:
*2013 Corporación Universitaria Autónoma del Cauca
Autor: Edwin Micolta
Estudiante de ingeniería Electrónica.
Revisado y corregido:
Ing. Francisco Franco
http://archivos.edicy.co/files/Circuitos_disparo.pdf
*Valor del resistor limitador de corriente de compuerta para un TRIAC, en uno de los diagramas propuestos en las hojas de especificaciones del MOC3011 (R = 180 Ohms).
Por lo que la fórmula empleada para estimar R13 será la siguiente (Fórmula No.3):
Resistor de protección contra un exceso de corriente, conectada en serie a la terminal de compuerta (G) del TRIAC MAC12N. Se expresa en Ohms.
(Peak On–State Voltage) Voltaje necesario en las terminales del Foto-TRIAC del MOC3011, para que éste conduzca (se dispare) la corriente eléctrica.
(Gate Trigger Voltage) Voltaje necesario en la terminal de compuerta (G) del TRIAC MAC12N, para que éste último, permita la conducción de la corriente eléctrica.
(Gate Trigger Current) Corriente necesaria aplicada a la terminal de compuerta (G) del TRIAC MAC12N, para que éste último, permita la conducción de la corriente eléctrica.
El valor calculado del resistor R13 es de 260 Ohms, por otra parte, en un diagrama de las hojas de especificaciones del MOC3011 sugiere un resistor de 180 Ohms; citando las palabras de algunos de mis conocidos, que dicen: "Algunos ingenieros cucharean los resultados", creo éste caso no será la excepción, ya que considero que el valor de 260 ohms es un valor pequeño, así que se elegirá un resistor de 1 Kilo-Ohm a 1 W.
El circuito final para la etapa de potencia se muestra a continuación:
*2013 Corporación Universitaria Autónoma del Cauca
Autor: Edwin Micolta
Estudiante de ingeniería Electrónica.
Revisado y corregido:
Ing. Francisco Franco
http://archivos.edicy.co/files/Circuitos_disparo.pdf
*Valor del resistor limitador de corriente de compuerta para un TRIAC, en uno de los diagramas propuestos en las hojas de especificaciones del MOC3011 (R = 180 Ohms).
Por lo que la fórmula empleada para estimar R13 será la siguiente (Fórmula No.3):
Donde:
Resistor de protección contra un exceso de corriente, conectada en serie a la terminal de compuerta (G) del TRIAC MAC12N. Se expresa en Ohms.(Peak On–State Voltage) Voltaje necesario en las terminales del Foto-TRIAC del MOC3011, para que éste conduzca (se dispare) la corriente eléctrica.(Gate Trigger Voltage) Voltaje necesario en la terminal de compuerta (G) del TRIAC MAC12N, para que éste último, permita la conducción de la corriente eléctrica.(Gate Trigger Current) Corriente necesaria aplicada a la terminal de compuerta (G) del TRIAC MAC12N, para que éste último, permita la conducción de la corriente eléctrica.
Al consultar las hojas de especificaciones del MAC12N y MOC3011 mostradas anteriormente, se toman los siguiente valores := 1.8 V, = 0.78V e = 13 mA. Y se sustituyen en la fórmula anterior:
= 1.8 V, = 0.78V e = 13 mA. Y se sustituyen en la fórmula anterior:El valor calculado del resistor R13 es de 260 Ohms, por otra parte, en un diagrama de las hojas de especificaciones del MOC3011 sugiere un resistor de 180 Ohms; citando las palabras de algunos de mis conocidos, que dicen: "Algunos ingenieros cucharean los resultados", creo éste caso no será la excepción, ya que considero que el valor de 260 ohms es un valor pequeño, así que se elegirá un resistor de 1 Kilo-Ohm a 1 W.
El circuito final para la etapa de potencia se muestra a continuación:
Figura 12. Circuito final para la etapa de potencia.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
4. Fuente de alimentación.
El último bloque que será el encargado de suministrar la energía a todo el circuito, será construido de forma sencilla, utilizando un regulador LM7805 (debido a que la mayoría de los componentes del circuito funcionan con 5VCC) con sus correspondientes capacitores, ésto se ha estimado tomando en cuenta los componentes que conforman el dimmer, por lo que el consumo de corriente esperado será menor a 1 Ampere.
El circuito de la fuente de alimentación queda como se muestra en la siguiente figura:
Figura 13. Circuito propuesto para la fuente de alimentación.
(Para expandir, clic sobre la imagen).
Por último, el diagrama final del proyecto se muestra a continuación:
Nota: En el diagrama se han hecho modificaciones a los componentes reales seleccionados para que la simulación sea lo más fiel posible a la realidad, para la distribución correcta de pines de los circuitos integrados, se recomienda consultar las hojas de especificaciones (Datasheet) de los mismos.
En la segunda parte de ésta entrada, se explicará el cómo programar la etapa de control y se muestra el funcionamiento final de todo el circuito. Por falta de tiempo y cansancio, no he todavía concluido al segunda parte, pero en el siguiente link (contiene publicidad)se adjunta la simulación del cruce por cero, el diagrama completo actualizado y un archivo txt que contiene el código para programar el microcontrolador PIC16F1827 del diagrama actualizado, espero les ayude (http://yabuilder.com/QSX).
¡Muchas gracias por leer ésta nueva entrada!
ALF
