Detección de cruce cero y control del ángulo de disparo de una carga resistiva utilizando un microcontrolador

Introducción

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.

TRÍACS, 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 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.

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.

Planteamiento y análisis del problema

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.

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.

(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.

Implementación de la solución

Hardware

El detector de cruce por cero nos permite saber, el momento justo de cuando la señal pasa por un valor cercano al cero.

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.

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.

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.

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 mantiene presionado, desciende y asciende hasta dejar de apretar.

• 5. Si suelta y estaba ascendiendo, y mantiene nuevamente, cambia de sentido de control de intensidad.

• 6. Si se vence el tiempo en ud. suelte, p.e. un (1) segundo y tocó, si estaba ascendiendo, apago; en el proceso contrario, enciendo.

Fig. 5. Diagrama de Flujo. (a) Programa Principal. (b) Detección del Período. (c) Secuencias. Control de secuencias ascendente, descendente, encendido y apagado.

Formas de onda de la aplicación

Para el circuito mostrado anteriormente, el Detector de Cruce por Cero, Fig. 2:

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).

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. 8. Onda Controlada, 10%. Señal de las terminales del bombillo, Fig. 4, (b).

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).

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 terminales no sea suficiente para mantener la carga (bombillo) encendida.

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.

Reconocimiento

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] T. J. Maloney, "Electrónica Industrial Moderna," 3ra ed., Ed. Prentince-Hall, 1997, págs. 193–197.

• [2] S.-S., "Circuitos Microelectrónicos", 4ta ed., Oxford University Press, 1999, págs. 179–190.

• [3] AN392, P. RABIER/L. PERIER, (Septiembre de 1992), "Microcontroller and Triacs on the 110/240V Mains".

  Disponible: http://www.stmcu.com/mcdfiles/1863.pdf

• [4] Understanding Small Microcontrollers. M68HC05TB/D Rev. 2.0, Motorola Semiconductors Page. Disponible en: http://e-www.motorola.com/files/microcontrollers/doc/ref_manual/M68HC05TB.pdf.

• [5] HCMOS Microcontroller Unit. M68HC908JL3/H Rev. 4, Motorola Semiconductors Page. Disponible en: htp://e-www.motorola.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC68HC08JL3.pdf .

Enviado por: Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.

"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®

Santiago de los Caballeros, República Dominicana, 2016.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE, JUAN BOSCH Y ANDRÉS CASTILLO DE LEÓN – POR SIEMPRE"®

Autor:

Yunior Andrés Castillo Silverio.