Download Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Desarrollo de un atenuador de luz con base en el
MC9S08 de Freescale
Por:
Julián Puscar
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Diciembre del 2012
Desarrollo de un atenuador de luz con base en el
MC9S08 de Freescale
Por:
Julián Puscar
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Geovanny Delgado
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Marco Vásquez
Profesor lector
_________________________________
Ing. Juan Ramón Rodríguez
Profesor lector
DEDICATORIA
A mi familia por haberme acompañado y apoyado, no solo durante todo el proyecto y toda
la carrera, sino durante toda la vida.
RECONOCIMIENTOS
A los ingenieros Geovanny Delgado y Marco Vásquez por darme la oportunidad de participar en un
proyecto emocionante, innovador y ayudar enormemente en mi formación como Ingeniero.
También por la gran ayuda y colaboración que me brindaron en este proceso.
ÍNDICE GENERAL
Página
ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................................iii
ÍNDICE DE CUADROS ..................................................................................................................... v
1.
CAPITULO 1 ............................................................................................................................. 1
INTRODUCCIÓN............................................................................................................................. 1
2.
1.1
Justificación ....................................................................................................................... 1
1.2
Metodología ....................................................................................................................... 2
1.3
Cronograma ....................................................................................................................... 4
1.4
Objetivos ............................................................................................................................ 5
1.4.1
Objetivo General ......................................................................................................... 5
1.4.2
Objetivos Específicos .................................................................................................. 5
CAPITULO 2 ............................................................................................................................. 6
DISEÑO DEL HARDWARE ........................................................................................................... 6
2.1
Análisis topológico ............................................................................................................. 6
2.1.1
Convertidor AC/DC: ................................................................................................... 8
2.1.2
Fuente de 24 V........................................................................................................... 10
2.1.3
Fuente de 3 V............................................................................................................. 12
2.1.4
Detector cruce por cero ............................................................................................ 14
2.1.5
Interfaz de entradas digitales .................................................................................... 16
2.1.6
Interfaz de potencia ................................................................................................... 18
2.2
Esquemático del circuito completo: ............................................................................... 23
2.3
Lista de partes ................................................................................................................. 25
2.3.1 Resistencias ...................................................................................................................... 25
2.3.2 Capacitores ....................................................................................................................... 26
2.3.3 Diodos .............................................................................................................................. 26
2.3.4 Triacs ................................................................................................................................ 26
2.3.5 Circuitos integrados.......................................................................................................... 27
2.3.6 Otros ................................................................................................................................. 27
2.4
Diseño del circuito impreso ............................................................................................ 27
2.5
Presupuesto del dispositivo: .............................................................................................. 30
i
3.
CAPITULO 3 ........................................................................................................................... 32
DISEÑO DEL SOFTWARE .......................................................................................................... 32
3.1
Configuración e inicialización del sistema incrustado. CPU, Registros y Puertos ........... 32
3.1.1 Registros de la fuente de reloj interna .............................................................................. 33
3.1.2 Registros del Comparador Analógico .............................................................................. 36
3.1.3 Registros del Temporizador de interrupciones ................................................................. 38
3.1.4 Registros del Puerto PTA2 y PTA3 ................................................................................ 41
3.1.5 Registros del Puerto PTB0, PTB1, PTB2 y PTB3 ........................................................... 44
3.1.6 Otro registro ..................................................................................................................... 45
3.2 Diagrama de flujo .................................................................................................................... 46
4
CAPITULO 4 ........................................................................................................................... 58
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 58
4.1 Conclusiones ........................................................................................................................... 58
4.2 Recomendaciones .................................................................................................................... 58
5
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 59
APENDICE A: MEMORIA DE CÁLCULO .................................................................................... 61
A.1 Detección de Cruce por Cero ................................................................................................. 61
A.2 Convertidor AC/DC .............................................................................................................. 62
A.3 Fuente de tensión de 24 V ..................................................................................................... 64
A.4 Fuente de tensión de 3 V ........................................................................................................ 65
A.5 Interfaz de entradas digitales .................................................................................................. 68
A.6 Interfaz de potencia: .............................................................................................................. 69
ii
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 2. 1 Diagrama de bloques del diseño del hardware ................................................................. 6
Figura 2. 2 Circuito Esquemático del convertidor AC/DC ................................................................. 8
Figura 2. 3 Forma de Onda de la convertidor AC/DC ...................................................................... 10
Figura 2. 4 Circuito Esquemático de la fuente de 24 V .................................................................... 10
Figura 2. 5 Forma de onda de la fuente de tensión de 24 V .............................................................. 12
Figura 2. 6 Circuito Esquemático de la fuente de tensión de 3 V ..................................................... 12
Figura 2. 7 Forma de onda de la fuente de tensión de 3 V ................................................................ 13
Figura 2. 8 Circuito Esquemático del detector de cruce por cero ..................................................... 14
Figura 2. 9 Forma de onda del detector de cruce por cero ................................................................ 16
Figura 2. 10 Circuito Esquemático de la interfaz de entradas digitales ............................................ 17
Figura 2. 11 Circuito Esquemático de la interfaz de potencia........................................................... 18
Figura 2. 12 Forma de onda del TRIAC ............................................................................................ 20
Figura 2. 13 Asignación de pines del empaquetado PDIP de 16 pines del MC9S08QG8 ................ 22
Figura 2. 14 Diagrama de bloques del micrcontrolador MC9S08QG8 de Freescale ........................ 23
Figura 2. 15 Circuito Esquemático de fuentes de tensión y detector de cruce por cero .................... 24
Figura 2. 16 Circuito Impreso ........................................................................................................... 28
Figura 2. 17 Prototipo de circuito impreso ........................................................................................ 29
Figura 3. 1 Registro ICSC1 ............................................................................................................... 33
Figura 3. 2 Registro ICSC2 ............................................................................................................... 34
Figura 3. 3 Registro ICSTRM ........................................................................................................... 35
Figura 3. 4 Registro ICSSC ............................................................................................................... 35
Figura 3. 5 Registro ACMPSC .......................................................................................................... 36
Figura 3. 6 Eventos de comparación en flancos positivos y negativos ............................................. 37
Figura 3. 7 Registro SOPT2 .............................................................................................................. 38
Figura 3. 8 Registro MTIMSC .......................................................................................................... 39
Figura 3. 9 Registro MTIMCLK ....................................................................................................... 39
Figura 3. 10 Registro MTIMCNT ..................................................................................................... 40
Figura 3. 11 Registro MTIMMOD .................................................................................................... 40
Figura 3. 12 Registro PTaAD ............................................................................................................ 42
iii
Figura 3. 13 Registro PTADD........................................................................................................... 42
Figura 3. 14 Registro PTAPE ............................................................................................................ 43
Figura 3. 15 Registro PTASE ............................................................................................................ 43
Figura 3. 16 Registro PTADS ........................................................................................................... 44
Figura 3. 17 Registro SOPT1 ............................................................................................................ 45
Figura 3. 18 Diagrama de flujo sección 1 ......................................................................................... 50
Figura 3. 19 Diagrama de flujo sección 2Figura 3. 20 Diagrama de flujo sección 3 ........................ 51
Figura 3. 21 Diagrama de flujo sección 4 ......................................................................................... 53
Figura 3. 22 Diagrama de flujo sección 5 ......................................................................................... 54
Figura 3. 23 Diagrama de flujo sección 6 ......................................................................................... 55
Figura 3. 24 Diagrama de flujo sección 7 ......................................................................................... 56
Figura A. 1 ........................................................................................................................................ 69
Figura A. 2 ........................................................................................................................................ 71
Figura A. 3 ........................................................................................................................................ 73
iv
ÍNDICE DE CUADROS
Página
Cuadro 1. 1 Cuadro Cronograma ........................................................................................................ 4
Cuadro 2. 1 Cuadro de Resistencias .................................................................................................. 25
Cuadro 2. 2 Cuadro de Capacitancias ............................................................................................... 26
Cuadro 2. 3 Cuadro de diodos ........................................................................................................... 26
Cuadro 2. 4 Cuadro de TRIAC.......................................................................................................... 26
Cuadro 2. 5 Cuadro de MOV ............................................................................................................ 27
Cuadro 2. 6 Cuadro de circuitos integrados ...................................................................................... 27
Cuadro 2. 7 Cuadro de otros elementos ............................................................................................ 27
Cuadro 2. 8 Presupuesto del dispositivo .......................................................................................... 30
v
Nomenclatura
ACMP
Comparador Analógico
ADC
Convertidor Analógico Digital
CPU
Unidad Central de Procesamiento
FLL
“Frequency Locked Loop” (Enganche de Fase)
GND
“Ground” (Tierra)
ICC
Bus de circuito Inter-Integrados
RLED
Diodo emisor de luz infraro
KBI
Interrupción por teclado
MCU
Unidad de microcontrolador
MOV
Varistor de óxido metálico
MTIM
Modulo de Temporizador
POR
“Power On Reset” (encendió luego de ser reseteado)
SCI
Interfaz de comunicación serial
SPI
Interfaz de periféricos seriales
TPM
Modulador por Ancho de Pulso
USD
Dólar de Estados Unidos
Vrms
Voltaje RMS
vi
Resumen
El presente proyecto consiste en la elaboración, diseño e implementación de un atenuador
de luz o Dimmer digital basado en un microcontrolador, que permite manejar dos grupos de
luces, de 300 W cada uno. Se realizó el diseño del software y el hardware, así como la
implementación de un prototipo del dispositivo y el desarrollo de la versión final del mismo
en un circuito impreso. El diseño de software consiste en la implementación del código de
programa que se almacena en la memoria FLASH del microcontrolador, mientras que el
diseño de hardware radica en los elementos externos que necesita el MCU para que
funcione adecuadamente.
Se trabajó con el microcontrolador MC9S08QG8 de Freescale de la familia HCS08 y se
utilizó el sistema de desarrollo CodeWarrior donde se programó en lenguaje ensamblador.
Se utilizó también una tarjeta de desarrollo de Freescale, modelo DEMO9S08QG8UG. Para
el desarrollo del circuito impreso se trabajó con el software Eagle versión 5.11 Finalmente
st6e logró implementar la versión final del atenuador de luz en el circuito impreso.
vii
1. CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
Un atenuador de luz o Dimmer es una opción que le permite al usuario tener la posibilidad de
ajustar la intensidad lumínica de una lámpara de acuerdo a sus gustos y necesidades para generar un
escenario diferente de acuerdo a las circunstancias. Resulta ser una herramienta muy versátil y
cómoda, por su gran flexibilidad. Pero un atenuador no solo es productivo para generar diferentes
escenarios, que se enfoca únicamente en el confort del usuario, sino que a la vez permite variar el
consumo de potencia que consume un grupo de luces, de esta manera se produce un ahorro de
energía incluso cuando se tiene la lámpara encendida, y esto es algo que resulta imposible con la
lámpara de encendido convencional. En un mundo donde se busca constantemente reducir el
consumo de energía, el atenuador de luz resulta de gran ayuda para lograr este objetivo, y es por
esto que resulta amigable para el medio ambiente.
1.1 Justificación
Se busca desarrollar un Dimmer que funcione digitalmente y que permita regular el nivel de
intensidad en la luz. El objetivo básico es remplazar el habitual atenuador de luz que utiliza
una perrilla, por un método más moderno que utilice botones pulsadores, y que resulte
como una opción más atractiva para el usuario. Este atenuador contará con cuatro botones
pulsadores, de donde cada par de botones se utilizará para controlar un grupo de lámparas
diferente. Al oprimir uno de estos pulsadores la intensidad aumenta, mientras que con el
segundo botón se reduce la intensidad lumínica. Además cuenta con la particularidad que al
presionar los botones simultáneamente y si la luz se encuentra encendida, entonces esta se
apagará en forma de rampa. Por otra parte, si se oprimen los botones al mismo tiempo y la
1
2
lámpara está apagada, entonces este se encenderá en forma de rampa al último valor de
intensidad lumínica al cual la lámpara estuvo encendida.
Como ya se mencionó, este dispositivo no utiliza la perilla convencional sino cuatro
botones pulsadores, por que el usuario puede escoger las placas que desee utilizar para
colocar los botones de control, sin el inconveniente de tener que utilizar la perilla
convencional que tiene un empaquetado diferente al resto de los interruptores de lámparas
utilizadas en el resto de la instalación eléctrica.
Este dispositivo atenuador de intensidad lumínica, no es desarrollado para estar a la venta
de manera individual y para el consumo masivo, sino que es particularmente diseñado para
ser implementado como un accesorio de la empresa Nextec Intl, como un accesorio de su
línea de control integrado LUMEON.
Se ha elegido utilizar un sistema incrustado con el microcontrolador de Freescale
MC9S08QG8, pues resulta ser una opción de bajo costo, robusta y flexible.
1.2 Metodología
Se inició realizando un estudio de la arquitectura del microcontrolador MC9S08QG8 de
Freescale, que permitiera identificar cuales periféricos, puertos y registros eran de interés
para el desarrollo de este proyecto. Una vez identificados los puntos de utilidad, se
desarrolló una extensa comprensión de los mismos, y se aprendió la forma en la que estos
deben ser configurados e iniciados para que funcionen de la manera deseada.
A través del sistema de desarrollo CodeWarrior, y la herramienta de configuración de
periféricos, Processor Expert, se programó
en lenguaje ensamblador el código del
3
microcontrolador. Luego, mediante la interfaz P&E USB Multilink y la placa
DEMO9S08QG8UG se descargó el programa de la computadora al MCU. De esta manera,
en la tarjeta DEMO9S08QG8UG se verificó que el software cumpliera con todas las
especificaciones de diseño.
Se participó en el diseño del hardware y se implementó un prototipo sobre una placa de
prototipos donde se realizaron varias modificaciones con respecto al diseño original, para
solucionar ciertos inconvenientes mayormente relacionados a la alta impedancia de salida
del convertidor AC/DC.
Una vez que el hardware funcionó correctamente, se procedió a diseñar el circuito impreso
en el programa Eagle versión 5.11. Paralelamente se contactó con los proveedores para
comprar los elementos necesarios para el hardware y el mismo circuito impreso.
Finalmente, con el circuito impreso ya terminado con todos los elementos necesarios, se
verificó el correcto funcionamiento del dispositivo final, y se modificaron algunos detalles
del impreso para producir algunas mejoras en cuanto a la estética y facilidad en el proceso
de soldar.
4
1.3 Cronograma
Cuadro 1. 1 Cuadro Cronograma
1
S
jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjSemana
Actividad
Entender de la arquitectura del
MC9S08QG8
Aprender el funcionamiento del
sistema CodeWarrior
Diseñar el código de programa.
Participar en
Hardware.
el
diseño
del
Implementar
el
circuito
electrónico del Hardware.
Estudiar el funcionamiento del
programa Eagle versión 5.11
Diseñar un prototipo del circuito
Impreso.
Contactar los proveedores de los
diferentes elementos y productos.
Diseñar el circuito impreso final.
Implementar el dispositivo en el
circuito impreso.
Redacción del documento de
proyecto eléctrico.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
5
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un Dimmer de dos canales, utilizando el microcontrolador
MC9S08QG8 de Freescale.
1.4.2 Objetivos Específicos

Entender la arquitectura del microcontrolador MC9S08QG8.

Aprender a utilizar el sistema de desarrollo CodeWarrior.

Diseñar e implementar el código de programa.

Participar en el diseño y desarrollo del hardware del dispositivo.

Aplicar un protocolo de pruebas y validar el funcionamiento de acuerdo a las
especificaciones de diseño.

Montar un prototipo del producto y verificar su correcto funcionamiento.

Estudiar el funcionamiento del programa Eagle versión 5.11.

Desarrollar el circuito impreso del Dimmer utilizando el programa Eagle.

Implementar el dispositivo final en el circuito impreso.
2. CAPITULO 2
DISEÑO DEL HARDWARE
2.1 Análisis topológico
En la Figura 2.1 se presenta el diagrama de bloques del diseño del hardware:
Red Eléctrica
Convertidor AC/DC
Fuente de tension
de 3 V
Fuente de tension
de 24 V
Detección del
cruce por cero
Pulsadores de
control de
intensidad
lumínica
Interfaz de
entradas digitales
Microcontrolador
Interfaz de
potencia
TRIAC: Grupos de
luces
Figura 2. 1 Diagrama de bloques del diseño del hardware
6
7
Lo primero que se debe llevar a cabo es la implementación de las fuentes de voltaje que van
a alimentar el circuito. Se va utilizar una fuente de 24 V para alimentar los pulsadores. Se
escoge este voltaje, pues hay que considerar el caso en donde los pulsadores de control
están ubicados a varios metros de separación del atenuador, entonces se producirá una alta
caída de tensión en el cable, y entonces es necesario un voltaje que sea relativamente alto y
estandarizado para sistemas de control. Por otra parte para alimentar el microcontrolador se
va a utilizar una fuente de voltaje de 3 V, que es la tensión que el MCU requiere para
trabajar.
Una etapa muy importante es el detector de cruce por cero. Se necesita detectar el cruce por
cero de la onda sinusoidal de la red eléctrica, pues la función de modificar la intensidad
lumínica de una lámpara se hace a través del desplazamiento del pulso de disparo de un
TRIAC con respecto al tiempo. Este tiempo que se debe modificar tiene como referencia el
cruce por cero y es por eso que es importante detectar este momento con precisión. Este
cruce por cero va a ser una entrada del comparador analógico del microcontrolador, y se va
a comparar con un voltaje de 0 V.
Un aspecto importante en el diseño es el aislamiento galvánico. El microcontrolador debe
estar aislado tanto del sistema de potencia como de la fuente de 24 V, pues este podría
dañarse si recibiera más voltaje del que puede tolerar. Es por esta razón que se implementan
las interfaces de entradas digitales y la interfaz de potencia
El microcontrolador cuenta entre otras cosas con: un comparador analógico interno,
memoria FLASH y memoria RAM. El MCU va almacenar un programa que se encarga de
detectar el cruce por cero de la señal sinusoidal de la red eléctrica e implementar un
8
temporizador que al rebasarse producirá el pulso de disparo que encenderá el TRIAC. El
límite de tiempo del temporizador es determinado por el usuario a través de los pulsadores
de control. Por otra parte, el TRIAC debe estar aislado por una interfaz de potencia para
proteger al microcontroldaor de cualquier daño. Más adelante se detallan las características
y funcionalidades de este microcontrolador.
2.1.1
Convertidor AC/DC:
En la Figura 2.2 se presenta el esquemático del circuito que corresponde al convertidor
AC/DC:
Figura 2. 2 Circuito Esquemático del convertidor AC/DC
2.1.1.1 Descripción de operación
Para alimentar el circuito se necesita implementar una fuente de tensión DC. Aunque para
este caso, se van a generar dos fuentes de tensión, una de 3 V y otra de 24 V, cada una de
estas tendrá una función específica que más adelante se detallará. Antes de tener los
voltajes regulados en 3 V y 24 V se va a buscar tener una onda con un componente DC, y
9
este componente debe ser mayor de 24 V, si lo que se busca es generar una fuente de este
voltaje.
Lo primero que se debe identificar, es que 120 Vrms es un voltaje muy elevado para
obtener fuentes DC de 3 V y 24 V. Entonces hay que reducir este nivel de tensión. Para ello
se va a implementar un divisor de tensión capacitivo para aprovechar la alta impedancia del
capacitor y su baja disipación de potencia, con la intención de alcanzar una tensión máxima
de 32 V. Nótese que este voltaje debe ser mayor que las dos tensiones de las fuentes que se
quieren generar. Vale destacar que el capacitor de este divisor de tensión, va a ser visto por
la entrada como una impedancia, y como la capacitancia es inversamente proporcional a la
impedancia, se busca que tenga un valor capacitivo alto, para que la corriente de entrada al
circuito sea tan alta como las fuentes lo demandan.
Una vez reducida la amplitud de la señal sinusoidal, y al considerar que se está buscando
obtener un componente DC a partir de una onda sinusoidal (de la red eléctrica), se tiene que
eliminar la simetría de la señal con respecto al eje del tiempo. Esto se logra a través de la
implementación de un puente de diodos que va a provocar una rectificación de onda
completa. Por otra parte, para subir el nivel de tensión DC y eliminar parte del rizado se va
colocar en paralelo a la carga un capacitor.
2.1.1.2 Formas de onda
En la Figura 2.3 se ilustra la forma de onda para la etapa de conversión AC/DC.
10
Figura 2. 3 Forma de Onda de la convertidor AC/DC
La tensión en el nodo Vx va creciendo conforme se carga el capacitor C1, hasta un valor
cercano a los 32 V. La señal presenta un rizado, que representa el componente AC de la
señal que todavía no ha sido eliminado completmente.
2.1.2
Fuente de 24 V
En la Figura 2.4 se presenta esquemático del circuito que corresponde a la fuente de 24 V:
Figura 2. 4 Circuito Esquemático de la fuente de 24 V
11
2.1.2.1 Descripción de operación
La fuente de 24 VDC se utiliza para alimentar las interfaces de entrada que reciben los
botones pulsadores. Dependiendo de la edificación y la ubicación de las lámparas, es muy
probable que sean grandes distancias las que separan los botones pulsadores del resto del
circuito. Una distancia grande representa una mayor resistencia en el cable, y por lo tanto,
un mayor caída de tensión. Como se debe asegurar que a pesar de la caída de tensión en el
cable, el microcontrolador pueda diferenciar cuando un botón este pulsado, de cuando no
lo esté, es necesario que el voltaje a utilizar para comunicar los pulsadores y el MCU sea
elevado. Partiendo de esta premisa se escoge utilizar una fuente de voltaje de 24 V, por ser
este un voltaje estándar de control.
Se decidió que Vx tiene un máximo de 32 V, y su nivel DC es muy cercano a este, debido
al capacitor C1 que elimina gran parte del rizado. Pero como se quiere tener una excelente
regulación de línea y carga, se procede a implementar la fuente con un diodo zenner de 24
V.
2.1.2.2 Formas de onda
Seguidamente se muestra la forma de onda de la fuente de 24 V, junto la onda de la red
eléctrica y convertidor AC/DC.
12
Figura 2. 5 Forma de onda de la fuente de tensión de 24 V
Nótese de la Figura 2.5 que la fuente de 24 V tiene un rizado despreciable, lo cual indica
que la onda tiene un bajo componente AC. Por otra parte, la demanda de corriente que tiene
esta fuente junto con el hecho de que la impedancia de entrada del capacitor C4 es
significativa y limita la corriente, ha provocado que la señal Vx tenga un mayor nivel de
rizado. No obstante, este efecto no resulta perjudicial, pues el nivel de tensión de interés
que debe ser completamente regulado es la fuente de 24 V, y para esto es necesario que el
nodo Vx tenga una tensión mayor que esta.
2.1.3
Fuente de 3 V
En la Figura 2.6 se presenta el esquemático del circuito que corresponde a la fuente de 3 V:
Figura 2. 6 Circuito Esquemático de la fuente de tensión de 3 V
13
2.1.3.1Descripción de operación
Se necesita una fuente de 3 V para alimentar el MCU. La precisión en este nivel de tensión
es requerida, pues hay que tener cuidado de no provocarle un daño al microcontrolador o
una operación errática del mismo debido a problemas de regulación de la fuente. Por otra
parte, es de gran importancia tener una excelente regulación de carga y de línea. Por lo
tanto, para implementar esta fuente se va a utilizar un regulador de tensión monolítico
LP2950, después de haber previamente reducido el voltaje con un diodo zenner de 3,9 V.
Se va a utilizar en serie con Vx un diodo zenner cuya única función será reducir la
diferencia potencial que va a manejar la resistencia. Esto va a disminuir el voltaje de
“dropout” del regulador, para que trabaje dentro de las condiciones especificadas por el
fabricante y además reducir la disipación de potencia en la resistencia R4. Por otra parte, se
van colocar dos capacitores uno en la entrada y otro a salida del regulador para mejorar la
respuesta transitoria de la fuente y su estabilidad relativa. A continuación se muestran las
formas de onda de las dos fuentes de tensión que serán utilizadas.
2.1.3.2 Formas de ondas
En la Figura 2.7 se muestran las formas de onda de la fuente de 3 VDC.
Figura 2. 7 Forma de onda de la fuente de tensión de 3 V
14
Al implementar la fuente de 3 V se demanda una mayor cantidad de corriente a cuando solo
se tenía implementada la fuente de 24 VDC. Esto provoca nuevamente un mayor nivel de
rizado en el voltaje Vx, al igual que el efecto explicado en la fuente de 24 V. Esto no
resulta problemático, pues sigue habiendo un nivel de tensión mayor que los 24 V
requeridos para una de las fuentes de alimentación. Además se puede observar en la forma
de onda del diodo zenner, que este alcanza un valor cercano a los 4 V y con un rizado
despreciable. Finalmente a la salida del regulador hay 3 V sin la presencia de ningún
componente AC.
2.1.4
Detector cruce por cero
En la Figura 2.8 se presenta el esquemático del circuito que corresponde a la fuente de
señal para detectar el cruce por cero:
Figura 2. 8 Circuito Esquemático del detector de cruce por cero
2.1.4.1 Descripción de operación
Se necesita detectar el cruce por cero de la señal sinusoidal de la red eléctrica, para
sincronizar el disparo de los tiristores que estarán manejando las luces. Esta detección se
logra por medio de una comparación, entre la señal sinusoidal de la red, y un valor
constante de aproximadamente cero.
Para realizar esta comparación se va a utilizar el comparador analógico que tiene el
microcontrolador internamente. De las hojas del fabricante del MC9S08QG8 se sabe que
15
los pines 16 y 15 del microcontrolador (PTA0 y PTA1 respectivamente), son las entradas
del comparador analógico interno. Específicamente el pin 16 es la entrada no inversora y el
pin 15 es la entrada inversora.
Es necesario reducir la amplitud del voltaje que va a ingresar al comparador del
microcontrolador, pues este no va a soportar voltajes tan elevados como 120 Vrms. Es por
esta razón, que se colocan unos diodos “clamping” en paralelo que limitan el voltaje
máximo a 0,6 V. Este voltaje se presenta tanto en rangos positivos como negativos. Ambos
valores son tolerados por el comparador analógico de microcontrolador. Además, se va a
utilizar una resistencia para limitar la corriente que ingresa al MCU y que circula a través
de los diodos.
Al colocar estos diodos recortadores de voltaje, se va a perder la forma sinusoidal de la
señal de la red eléctrica, pero esto no es de interés, pues el objetivo radica en obtener los
cruces por ceros de la señal en el momento exacto en que se produce.
2.1.4.2 Formas de onda
En la Figura 2.9 se observa que los diodos recortan el voltaje en un rango de ±0,6 V. Y el
flanco de la señal recortada se presenta exactamente a los 8,33 ms, instante en el cual la
señal sinusoidal está pasando por 0 V. Así es como se consigue la primera señal que se
dirige al comparador analógico.
16
Figura 2. 9 Forma de onda del detector de cruce por cero
Para obtener la otra señal a comparar, se necesita que sea un voltaje constante, que
pertenezca al rango [-0,6 V; 0,6 V]. Como se puede observar el flanco de la señal recortada
por los diodos es tan vertical, que se puede escoger cualquier valor entre el rango
determinado y por lo tanto siempre va a asegurar la comparación en el momento en que se
presenta el cruce por cero. Es decir, que escogiendo cualquier valor entre [-0,6 V; 0,6 V] se
va a tener la interrupción de software en el momento exacto en que se desea. Se decide por
escoger un voltaje de 0 V.
Este es valor conveniente, pues utilizar 0 V va a ahorrar la
implementación de 2 resistencias que habría que utilizar para realizar un divisor de tensión.
2.1.5
Interfaz de entradas digitales
En la figura 2.10 se presenta esquemático del circuito que corresponde a la interfaz de
entradas digitales.
17
Figura 2. 10 Circuito Esquemático de la interfaz de entradas digitales
2.1.6.1 Descripción de operación
Es importante que los 24 V necesarios para implementar la etapa de pulsadores estén
galvánicamente aislados del MCU para no dañarlo. Para implementar esta separación se va
a utilizar transistores photodrlington 4N33, como se mostró anteriormente en la figura 2.10.
Por otra parte, es conveniente que las entradas al microcontrolador estén en estado alto
siempre que no estén pulsados los botones, y solamente cuando los pulsadores sean
oprimidos la entrada al microcontrolador estará en estado bajo. Esto es con el fin de que los
pines no estén “flotando” y de esta manera se evitan falsos disparos por el ruido en las
entradas al MCU.
Cuando el pulsador no este presionado, la fuente de 24 V no estará conectada a IRLED por
lo tanto el transistor ubicado entre las terminales 5 y 4 estará en corte, y al puerto de
entrada (PTB0, 1, 2 y 3) le estará entrando un voltaje igual a Vcc. Por otra parte, al oprimir
el pulsador, el IRLED se encenderá, haciendo que el transistor pase a estado de saturación y
ahora el voltaje en los puertos de entrada del MCU serán aproximadamente 0 V. Se debe
colocar una resistencia para proteger el 4N33 de no superar su corriente máxima y otra
resistencia para limitar la corriente del fotodiodo del optoacoplador y otra resistencia para
limitar la corriente del fototransistor.
18
2.1.6
Interfaz de potencia
En la figura 2.11 se presenta el diagrama esquemático del circuito que corresponde a la
interfaz de potencia.
Figura 2. 11 Circuito Esquemático de la interfaz de potencia
2.1.6.1 Descripción de operación
Como parte de los requerimientos de diseño se debe implementar una interfaz que
comunique el microcontrolador con la etapa de potencia. Es importante tener
galvánicamente aisladas estas etapas, pues el microcontrolador podría dañarse si una gran
cantidad de corriente fluye a través de él. Para aislar estas etapas, se va a utilizar un
optotriac que conecta el pin de salida del microcontrolador (PTA2 y PTA3), con la terminal
correspondiente a la compuerta del TRIAC.
El ánodo del IRLED va a estar conectado a la fuente de 3 V, y el cátodo se debe conectar al
puerto de salida del microcontrolador. De esta manera, cada vez que el puerto de salida
tenga un valor de 0 lógico el IRLED estará encendido. Por otra parte, cuando el puerto de
salida esté en estado alto, el IRLED estará apagado, pues no hay corriente fluyendo por el
circuito.
19
Es importante recordar que el puerto de salida del microcontrolador estará en estado bajo
solamente por un período de tiempo muy corto, de aproximadamente el 2% de del tiempo
que dura medio ciclo de la señal sinusoidal de la red eléctrica (0,1667 ms).
Cada vez que el IRLED esté encendido, es decir que el puerto de salida del
microcontrolador en estado bajo, se producirá una corriente en dirección al terminal “gate”
del TRIAC, que va a durar 0,1667 ms. Esta corriente, va a encender el TRIAC, que se
mantendrá en este estado hasta que el voltaje entre las “main terminales” decaiga de un
valor mínimo, y entonces se apagará. Este valor mínimo corresponde al que se presenta a
los 8,333 ms después de que empezó el medio ciclo de la señal sinusoidal de la red
eléctrica. El objetivo del circuito, consiste en variar el momento de tiempo en el cual se
produce esta corriente en el terminal “gate”. Si este disparo, se produce más tarde entonces
se reduce el tiempo que el TRIAC está encendido y por ende es menos la cantidad de
energía en ese medio ciclo de la señal sinusoidal. Por otra parte, si el disparo se produce
antes, es más el tiempo que el TRIAC estará encendido por tanto mayor será la cantidad de
energía.
Se debe considerar que es necesaria la implementación de las resistencias R24 y R7 para
proteger los dispositivos antes mencionados (TRIAC y optotriac), pues ambos pueden
tolerar una corriente máxima que no debe ser superada.
Finalmente, se utilizará un varistor de óxido metálico en paralelo al TRIAC, por proteger al
mismo de transientes eléctricas debidas a la conmutación de la corriente en las lámparas.
2.1.6.2 Formas de onda
En la figura 2.12 se ilustra la forma de onda de la lámpara controlada por el TRIAC.
20
Figura 2. 12 Forma de onda del TRIAC
La señal sinusoidal de la red eléctrica, que está en serie con la lámpara se ve limitada a un
intervalo de funcionamiento determinado por el pulso de disparo que produce el MCU y el
voltaje mínimo para mantener encendido el TRIAC. Mientras mayor sea el tiempo de encendido
del TRIAC es más la intensidad lumínica que tendrá la lámpara. Es decir que si el pulso de disparo
se corre hacia la derecha (el pulso se produce más tarde), entonces menor será intensidad lumínica.
2.1.7
Microcontrolador MC9S08QG8 de Freescale
Para escoger el microcontrolador que se va utilizar, se realizó un proceso de selección en el cual se
requerían de ciertas cualidades y características:

Debe tener un comparador analógico interno.

Debe tener al menos cuatro pines que se puedan configurar como puertos de entrada, y
otros dos pines que puedan configurarse como salidas del MCU. Además de los otros dos
pines del comparador analógico.

Debe que tener memoria FLASH y memoria RAM interna.
21
Además de que el MC9S08QG8 de Freescale posee las propiedades anteriores, también presenta
la facilidad de tener un sistema de desarrollo sencillo de utilizar como lo es CodeWarrior. Por otra
parte, se cuenta con un gran soporte de información de este dispositivo y tiene un costo accesible.
El microcontrolador MC9S08QG8 de Freescale tiene muchos módulos y funcionalidades
que no serán utilizados para el desarrollo de este proyecto. Sin embargo, se buscó utilizar la
mayor cantidad de funciones y propiedades del microcontrolador que faciliten el desarrollo,
reduzcan tamaño y disminuyan el costo del hardware.
Los siguientes son los periféricos que presenta el microcontrolador:

ADC: Convertidor Analógico Digital.

ACMP: Comparador Analógico.

SCI: Interfaz de comunicación serial.

SPI: Interfaz de periféricos seriales.

ICC: Bus de circuito Inter-Integrados.

TPM: Modulador por Ancho de Pulso.

MTIM: Modulo de Temporizador.

KBI: Interrupción por teclado.
Es importante considerar que el empaquetado del microcontrolador que se está utilizando
solo tiene 16 pines, y cada uno de ellos comparte varias funciones. Se va a utilizar el
empaquetado PDIP y además está disponible el empaquetado DIP. En la figura 2.13 se
ilustra el “pinout” del chip con las tareas que puede realizar cada pin, donde la función que
aparece ubicada más a la derecha, es la que mayor prioridad tiene. En caso de estar dos
22
funciones activadas en el mismo pin, permanecerá activa únicamente la que tenga más
prioridad.
Figura 2. 13 Asignación de pines del empaquetado PDIP de 16 pines del MC9S08QG81
La onda del detector de cruce por cero se va a conectar al pin 16 (ACMP+), y el voltaje de
comparación de 0 V se va a conectar al pin 15 (ACMP-). Por otra parte los cuatro
pulsadores provenientes de la interfaz de aislamiento de entradas digitales se conectan a los
pines 9, 10, 11 y 12 (PTB0, PTB1, PTB2 y PTB3 respectivamente). Luego se escoge que
las salidas del microcontrolador que se dirigen a la interfaz de potencia sean el pin 15 y el
14 (PTA1 y PTA2 respectivamente). Falta agregar que la fuente de 3 V se conecta al pin 3
(VDD) y el pin 4 se conecta a la referencia de 0 V.
En la figura 2.14 se ilustra el diagrama de bloques del microcontrolador:
1
Tomado de Freescale Semiconductor, Inc. (2009). MC9S08QG8 Data Sheet.
23
Figura 2. 14 Diagrama de bloques del micrcontrolador MC9S08QG8 de Freescale2
El “CORE” de este micrcontrolador es de la familia HCS08. Además el MCU tiene una
memoria FLASH de 8 Kbytes y 512 bytes de memoria RAM. Cuenta con una fuente de
reloj interno, por lo tanto no es necesario producir un oscilador externo al
microcontrolador.
2.2
Esquemático del circuito completo:
En la figura 2.15 se presenta el circuito esquemático completo del atenuador de luz.
2
Tomado de Freescale Semiconductor, Inc. (2009). MC9S08QG8 Data Sheet.
24
Figura 2. 15 Circuito Esquemático de fuentes de tensión y detector de cruce por cero
25
2.3
Lista de partes
2.3.1 Resistencias
Cuadro 2. 1 Cuadro de Resistencias
Número de resistencia
Valor óhmico (Ω)
Capacidad de potencia (W)
R1
4,7 k
1/2
R4
270
2
R5
270
2
R31
270 k
1/4
R19
4,7 k
1/4
R20
4,7 k
1/4
R21
4,7 k
1/4
R22
4,7 k
1/4
R23
2k
1/4
R24
2k
1/4
R25
2k
1/4
R26
2k
1/4
R29
200
1/4
R30
200
1/4
R7
330
1/4
R6
330
1/4
26
2.3.2 Capacitores
Cuadro 2. 2 Cuadro de Capacitancias
Número de
capacitor
C1
C2
C3
C4
Valor de
capacitancia (uF)
47
1
0,1
22
Tipo de capacitor
Voltaje (V)
Electrolítico
Electrolítico
Electrolítico
No electrolítico
35
35
35
200
Características
200 mA, 100 V
200 mA, 100 V
15 V / 3 W
25 V / 3 W
3,8 V / 0,5 W
1,5 A
Número de diodo
D1
D2
D3
D5
D4
B1
2.3.3 Diodos
Cuadro 2. 3 Cuadro de diodos
Tipo de diodo
Normal
Normal
Zenner
Zenner
Zenner
Puente de diodos
Número de parte
1N4148
1N4148
1N5929BG
1N5934B
NZX3V9A
DF08S
2.3.4 Triacs
Cuadro 2. 4 Cuadro de TRIAC
Número de parte
BTA312X-600D,127
Características
VDRM=600V, ITSM=95A,
IT=12A, IGT=5mA
Número de veces que se
utiliza en el circuito
2
27
2.3.5 Varistores de óxido metálico
Cuadro 2. 5 Cuadro de MOV
Número de parte
B72205S0421K101
Número de veces
que se utiliza en el
circuito
2
Voltaje (V)
Corriente (A)
420
400
2.3.5 Circuitos integrados
Cuadro 2. 6 Cuadro de circuitos integrados
Tipo
Regulador de voltaje
Photodarlington
Optotriac
Microcontrolador
Número de veces que se
utiliza en el circuito
1
4
4
1
Número de parte
LP2950Z
4N33
MOC3023SR2VM
MC9S08G8-16PBE
2.3.6 Otros
Cuadro 2. 7 Cuadro de otros elementos
Tipo
Vertical Box for Din Rail
Plug
Socket
Circuito impreso
Número de parte
CVB225
FCI-01-500
FCI-06-500
-
2.4 Diseño del circuito impreso
El resultado del diseño del circuito impreso se muestra en la figura 2.16.
28
Figura 2. 16 Circuito Impreso
En la figura 2.17 se ilustra el dispositivo montado en el prototipo de circuito impreso:
29
Figura 2. 17 Prototipo de circuito impreso
Las pistas que c|2onectan los pines de los conectores exteriores con el TRIAC deben tener
un ancho especial debido a que van a estar conduciendo 3 A cada una en el peor caso. Por
eso se escoge un ancho de 0,254 pulgadas para cada una de estas pistas. Mientras que para
las pistas que manejan señales se les asigna un ancho de 0,01 pulgadas, pues la corriente
que fluye a través de estas es muy pequeña. Por otra parte, las líneas que ingresan al puente
de diodos se les otorga un ancho de 0,076 pulgadas pues van a estar transportando al
corriente de las dos fuentes juntas (de 24 V y 3 V).
30
2.5 Presupuesto del dispositivo:
Cuadro 2. 8 Presupuesto del dispositivo
Símbolo Esquemático
Número de parte
Descripción
Precio Unitario
Costo de Tarjeta
B1
DF08S
Rectificador en puente
USD 0,40
USD 0,40
C4
ECQ-E225K
CAPACITOR 2,2 uF, 2500 V
USD 0,88
USD 0,88
C2
FK28X7R1H104K
CAPACITOR 0,1 uF, 50 V
USD 0,19
USD 0,19
C3
UKL1H010MDDANATD
CAPACITOR 1 uF, 5 V
USD 0,16
USD 0,16
D1 D2
1N4148
DIODO FAST RECOVERY, 0.3A,100 V
USD 0,12
USD 0,60
D4
NZX3V9A
DIODO ZENER 3.8 V, 0.5 W
USD 0,05
USD 0,05
D5
1N5934B
DIODO ZENER 24 V, 3 W
USD 0,37
USD 0,37
D3
1N5929BG
DIODO ZENER 15V, 3 W
USD 0,37
USD 0,37
R31
CCF07270KGKE36
RESISTENCIA 270 K, 0.25 W
USD 0,09
USD 0,09
R4, R5
CCF02270RJKR36
RESISTENCIA 270 OH, 2 W
USD 0,19
USD 0,38
R1
MF1/2CCTT52R4701F
RESISTENCIA 4.7K K, 1/2 W
USD 0,18
USD 0,18
R19, R20, R21, R22
291-4.7K-RC
RESISTENCIA 4.7 K, 0.25 W
USD 0,10
USD 0,40
R23, R24, R25, R26
291-2K-RC
RESISTENCIA 2 K, 0.25 W
USD 0,10
USD 0,40
R29 ,R30
CCF55200RFKE36
RESISTENCIA 200Ω, 0.25 W
USD 0,09
USD 0,40
R7, R6
271-330-RC
RESISTENCIA 330 Ω, 1/4 W
USD 0,13
USD 0,26
U8
LP2950ACZ-3.0G
REGULADOR DE 3 V
USD 0,86
USD 0,86
U2, U3, U4, U5
4N33SM
OPTOCOUPLER TRANSISTOR
USD 0,54
USD 2,16
U6, U7
MOC3023SR2VM
OPTOCOUPLER TRIAC
USD 0,68
USD 1,36
T1, T2
BTA312X
TRIAC 12 A, 600 V
USD 1,03
USD 2,06
MOV1, MOV2
B72205S0421K101
VARISTOR OXIDO MET. 400V
USD 0,36
USD 0,72
530714B00000G
Disipador TO220
USD 0,31
USD 0,62
U1
MCS9S08QG8
Freescale MCU
USD 1,54
USD 1,54
-
-
Thermal Compound 47.5 gr
USD 18,64
USD 0,19
-
-
Circuito impreso
USD 16,60
USD 16,60
-
CVB225KIT
DIN Vertical Box
USD 5,67
USD 5,67
31
Finalmente el costo total del dispositivo considerando únicamente el costo de los
materiales, correspondería a la suma de la columna “costo de tarjeta” y este valor es de:
USD 36,69. En este precio no se considera el costo de desarrollo.
3. CAPITULO 3
DISEÑO DEL SOFTWARE
3.1 Configuración e inicialización del sistema incrustado. CPU, Registros y Puertos
Como el funcionamiento del dispositivo radica en variar el ángulo de disparo del TRIAC,
se necesita utilizar el módulo del comparador analógico para detectar cada vez que sucedió
una intersección o cruce por cero de la red eléctrica. Una vez detectada esta intersección
por cero, se inicia un temporizador por lo que se debe activar el módulo de temporizador
del MCU. El temporizador cuenta hasta un valor de tiempo determinado por el usuario que
puede modificar el tiempo de este temporizador a través de los pulsadores de control.
Finalmente, cuando el temporizador se rebasa, se produce un pulso en el pin de salida del
microcontrolador que se dirige, a través de una interfaz de potencia, al TRIAC que maneja
la luz. De esta manera, al modificar el temporizador se está cambiando la cantidad de
tiempo que el TRIAC está encendido, y con esto a su vez varía la intensidad lumínica de la
lámpara.
Dos de los módulos que van a ser utilizados son el comparador analógico y el temporizador
y necesitan ser configurados o inicializados. De igual manera el módulo del reloj interno
del microcontroldaor, el cual determina la frecuencia de operación del dispositivo de ser
inicializado.
Por otra parte deben definirse las variables de entrada y salida en el
microcontrolador. En este proyecto, van a ver cuatro pines de entrada conectados cada uno
a sus respectivo pulsador. Cada par de botones sirve para subir y bajar la intensidad de luz
de la lámpara (PTB0 y PTB1 controlan la luz1 y PTB2 y PTB3 controlan la luz2). Además
32
los dos pines de salidas PTA2 y PTA3, cada uno van a manejar los TRIACS que permiten
manejar un circuito de 300 W, cada uno.
En cada una de las siguientes secciones se van a definir los registros utilizados en el
programa y la forma como cada uno de ellos se configura.
3.1.1 Registros de la fuente de reloj interna
Registro ICSC1
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado ICSC1 el cual sirve para determinar cuál
fuente de reloj se desea utilizar y cuáles son las características básicas de este reloj. Se
configura este registro es la siguiente: 00000100 para cumplir con las funcionalidades
deseadas. En la figura 3.1 se muestra la configuración de este registro.
Figura 3. 1 Registro ICSC1
•
CLKS=00: Se activa el “Frequency Locked Loop” (FLL), que mantiene estable la
frecuencia de reloj.
•
IREFS=0: Se escoge como reloj de referencia la fuente interna (31,25 kHz) y no la
fuente de reloj externa.
•
RDIV=00: El divisor o escala del reloj de referencia es 1, de esta manera se
mantiene la frecuencia de referencia de 31,25 kHz.
•
IRCKLEN=0: Inhabilita un nuevo reloj que solo es utilizado en el modo STOP (este
es un modo de ahorro de energía no será utilizado en este proyecto).
33
•
IREFSTEN=0: Si el MCU entra en modo STOP el reloj de referencia se apaga.
Registro ICSC2
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado ICSC2 el cual sirve para determinar las
características secundarias de la fuente de reloj escogida en el registra ICSC1. Se configura
este registro es la siguiente: 0100000 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la
figura 3.2 se muestra la configuración de este registro.
Figura 3. 2 Registro ICSC2
•
BDIV=01: Se divide la frecuencia a la mitad de la referencia (31,25 kHz/2=15,625
kHz), y este es el valor llamado: “Fixed Frequency Clock”. Este valor se genera por
defecto al realizarse un POR (“Power On Rest”).
•
RANGE, HGO, EREFS, ERKLEN, ERFSTEN: estos bits corresponden al reloj
externo, y como se está utilizando la fuente de reloj interna todos estos bits son
desactivados.
•
LP=0: el FLL (Frequency Locked Loop) no se apaga en modo bypass.
Registro ICSTRM
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado ICSTRM el cual sirve para determinar
cuál es la frecuencia de funcionamiento del bus interno del microcontrolador. Se configura
este registro es la siguiente: 1000000 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la
figura 3.3 se muestra la configuración de este registro.
34
Figura 3. 3 Registro ICSTRM
•
TRIM: controla la frecuencia del reloj del bus interno a partir del reloj de referencia.
El valor que contenga TRIM se multiplica por la frecuencia de referencia y esta será
la frecuencia a la cual trabaja el bus interno.
Se desea una frecuencia de bus de 4MHz a partir de la frecuencia de referencia de 31,25
kHz, entonces
. Es decir: 10000000 en binario. Donde 4 MHz es un valor
estándar de la frecuencia de bus, que se genera por defecto durante el POR. No obstante,
más adelante se justifica porque este valor resulta conveniente y por eso no es modificado.
Registro ICSSC
El MCU incluye un registro de 4 bits denominado ICSSC el cual sirve para producir
variaciones muy pequeñas en la frecuencia del reloj. Se configura este registro es la
siguiente: 00000000 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.4 se
muestra la configuración de este registro.
Figura 3. 4 Registro ICSSC
•
CLKST: selecciona el modo de reloj. Las opciones 00=FLL, 01=FLL bypass con
reloj interno, 10=bypass con reloj externo, 11=no aplica. Se escoge el modo de reloj
por defecto que es el que genera el FLL.
35
•
OSCINIT: este bit se pone en 1 una vez que el reloj ha sido inicializado.
•
FTRIM: si se pone un 1 en este bit, el período aumenta de la señal de reloj el
mínimo valor posible. Escribir un 0 después de un 1 disminuye el período en la
misma cantidad.
3.1.2 Registros del Comparador Analógico
Registro ACMPSC: 10110011
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado ACMPSC el cual sirve para activar el
funcionamiento del comparador analógico interno del microcontrolador y a la vez permite
determinar las características básicas del mismo. Se configura este registro es la siguiente:
10110011 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.5 se muestra la
configuración de este registro.
Figura 3. 5 Registro ACMPSC

ACME=1: Habilita el modulo del comparador analógico.

ACBGS=0: Se utiliza el valor analógico conectado al pin ACMP+ y no se utiliza la
referencia interna del MCU.

ACF=1: Bandera que avisa con 1 cuando sucedió un evento de comparación.

ACIE=1: Habilita una interrupción cuando se presenta una comparación.

ACO=0: Al leer este bit se obtiene el valor actual de pin de salida del comparador.
36

ACOPE=0: La salida del comparador analógico no se conecta al pin de salida
digital ACMPO (pin 2). Es importante aclarar que esta es una salida digital, donde
si el ACMP+ (detector de cruce por cero) es mayor que ACMP- (0 V), entonces la
salida tiene un valor de 1 lógico. En caso contrario la salida tiene un valor de 0
lógico.

ACMOD=11: se presenta una comparación tanto en flanco negativo como positivo.
Resulta muy importante respetar estos bits, pues se necesita detectar el cruce por
cero en cada medio ciclo de la señal de la red eléctrica. Si solo se producirá un
comparación en el flanco positivo o negativo, entonces se estría detectando el cruce
por cerco pero solo cada un ciclo completo de la onda de la red eléctrica. Se ilustran
los eventos de comparación en la Figura 3.6.
Figura 3. 6 Eventos de comparación en flancos positivos y negativos
Registro SOPT2
El MCU incluye un registro de 3 bits denominado SOPT2 el cual sirve para modificar
ciertas funcionalidades con respecto al comparador analógico, al COP Watchdog y bus de
circuito inter-integrados. Se configura este registro es la siguiente: 00000000 para cumplir
37
con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.7 se muestra la configuración de este
registro.
Figura 3. 7 Registro SOPT2

COPCLKS=0: Se selecciona una fuente de reloj 1 kHz para el COP Watchdog
(encargado de producir un Reset al detectar un error de Software). Con el bit puesto
en 1 se selecciona la frecuencia del bus interno.

IICPS: este bit está relacionado al periférico ICC (bus de circuito inter-integrados) y
como no se utiliza este periférico, este bit esta deshabilitado.

ACIC=0: La salida del comparador analógico no se conecta con el módulo TPM
(modulador de ancho de pulso).
3.1.3 Registros del Temporizador de interrupciones
Registro MTIMSC: 01100000
El MCU incluye un registro de 4 bits denominado MTIMSC el cual sirve para determinar
las características básicas del temporizador, como por ejemplo, la activación de una
subrutina cuando suceda una rebase en el contador. Se configura este registro es la
siguiente: 0110000 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.8 se
muestra la configuración de este registro.
38
Figura 3. 8 Registro MTIMSC

TOF=0: Este es un bit de solo lectura, que se pone en 1 cuando el contador del
temporizador se rebaza.

TOIE=1: Habilita la interrupción cuando se produce un rebase del contador del
temporizador.

TRST=1: Es un bit de escritura, que sirve para llevar a 0 el contador del
temporizador.

TSTP=0: El temporizador no se detiene y sigue activo en todo momento.
Registro MTIMCLK:
El MCU incluye un registro de 6 bits denominado MTIMCLK el cual sirve para seleccionar
el reloj que va a utilizar el temporizador para llevar a cabo la cuenta. Se configura este
registro es la siguiente: 00000001 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la
figura 3.9 se muestra la configuración de este registro.
Figura 3. 9 Registro MTIMCLK

CLKS=00: Se selecciona como fuente de reloj el Bus Clock y no los relojes
externos al MCU.

PS=0001: Se selecciona la escala de la fuente de reloj a utilizar. Para este caso sería
. Como anteriormente se escogió una frecuencia de bus de 4 MHz, se
39
tendría una frecuencia de 2 MHz ajustada con la escala, que equivale a 0,5 us. Este
valor resulta conveniente, y en el registro MTIMMOD se termina de explicar
porque.
Registro MTIMCNT:
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado MTIMCNT el cual sirve para saber cuál
es el valor actual del temporizador. Se configura este registro es la siguiente: 00000000
para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.10 se muestra la
configuración de este registro.
Figura 3. 10 Registro MTIMCNT

COUNT: Registro de solo lectura que devuelve el valor del contador del
temporizador.
Registro MTIMMOD:
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado MTIMMOD el cual contiene el valor
final al que el temporizador debe contar. Se configura este registro es la siguiente:
10100101 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.11 se muestra la
configuración de este registro.
Figura 3. 11 Registro MTIMMOD
40

MOD: Contiene el valor final al que tiene que llegar el contador del temporizador.
Se escoge el valor 10100101 que en decimal equivale a 165. Recuerde que en el
registro MTIMCLK se escogió un periodo de 0,5 us (frecuencia de 2 MHz). Luego
, este valor de tiempo es lo que tarda en
producirse una interrupción, y representa aproximadamente el 1% del medio ciclo
de la señal sinusoidal de la red eléctrica (8,333 ms). Eso quiere decir que cada 100
veces que se presente un evento de interrupción, va a haber transcurrido solo 1
medio ciclo de la onda de la red eléctrica. Además, cada vez que se produce un
cruce por cero se va a llevar a 0 el registro MTIMCNT (registro que lleva la cuenta
del contador del temporizador), esto se logra escribiendo cualquier bit en el registro
MTIMMOD. Entonces, el hecho de que se produzca una interrupción cada 0,0825
ms resulta ser conveniente, pues si por ejemplo, se desea que la intensidad lumínica
de la lámpara sea del 50% de su máxima intensidad, solo hay que producir el pulso
de disparo en la interrupción número 50.
3.1.4 Registros del Puerto PTA2 y PTA3
Registro PTAD
El MCU incluye un registro de 6 bits denominado PTAD el cual contiene los datos que
presentan estos puertos. Se configura este registro es la siguiente: 00000000 para cumplir
con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.12 se muestra la configuración de este
registro.
41
Figura 3. 12 Registro PTaAD

PTAD[5:0]: estos bits son el valor del dato que contiene estos pines s. En el
momento del POR se tiene un 0 en todos los bits.
Registro PTADD:
El MCU incluye un registro de 6 bits denominado PTADD el cual sirve para activar el
funcionamiento de los puertos “A” como entradas o salidas del microcontrolador. Se
configura este registro es la siguiente: 00001100 para cumplir con las funcionalidades
deseadas. En la figura 3.13 se muestra la configuración de este registro.
Figura 3. 13 Registro PTADD

PTADD[2,3]=1: Se les asigna a al puerto PTA2 y PTA3 la función de salidas del
MCU.

PTAD[0,1,5]=0: Se habilitan los puertos PTA0,1,4 y 5 como pines de entrada al
MCU. Pues PTA1 y PTA2 son utilizados como entradas por el comparador
analógico y PTA5 (“RESET”) es un pin de entrada de dirección única.
Registro PTAPE
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado ACMPSC el cual sirve para la resistencia
de pull-up interno del microcontrolador. Se configura este registro es la siguiente:
42
00000000 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.14 se muestra la
configuración de este registro.
Figura 3. 14 Registro PTAPE

PTAPE: al escribir un 0 se deshabilita el “pull-up” interno del MCU para cada uno
de los pines (PTA[0:5]).
Registro PTASE:
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado PTASE el cual sirve para la opción de
controlar el “slew rate”. Se configura este registro es la siguiente: 00100000 para cumplir
con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.15 se muestra la configuración de este
registro.
Figura 3. 15 Registro PTASE

PTASE=0: Deshabilita la opción de controlar el “Slew Rate” de salida (con 1 se
habilita el control de “Slew Rate”). El control “Slew Rate” sirve para limitar el
rango de transiciones de las salidas, pero como este efecto no es deseado, entonces
se deja inhabilitado esta opción.
Registro PTADS:
43
El MCU incluye un registro de 8 bits denominado PTADS el cual sirve para activar el
funcionamiento de la opción “Drive Strenght”. Se configura este registro es la siguiente:
00011111 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la figura 3.5 se muestra la
configuración de este registro.
Figura 3. 16 Registro PTADS

PTADS[0:5]=1: Los pines configurados con un 1 tienen habilitada la opción de
“Drive Strength” (mayor capacidad de entrega de corriente), esto produce que estos
pines sean capaces de entregar una mayor cantidad de corriente. Esto es requerido
pues las salidas van del MCU van a controlar una interfaz de potencia, que va a
demandar como máximo 5 mA. Es importante que la suma de todos los pines de
salida no supere la máxima corriente que puede entregar el microcontrolador que es
60 mA. En este caso, son dos salidas de 5 mA, que equivale a 10 mA que es mucho
menor que la corriente limite.
3.1.5 Registros del Puerto PTB0, PTB1, PTB2 y PTB3
Se repiten los mismos registros que para los puertos A, pero esta vez hacen referencia a los
puertos B y deben ser configurados de la siguiente manera, para que PTB0, PTB1, PTB2, y
PTB3 sean entradas.
Registro PTBD: 00000000
Registro PTBDD: 00000000
44
Registro PTBPE: 00001111
Registro PTBSE: 00000000
Registro PTBDS: 11111111
3.1.6 Otro registro
Registro SOPT1
El MCU incluye un registro de 5 bits denominado SOPT1 el cual sirve para modificar
ciertas características de funcionamiento del COP Watchdog, el modo ahorrativo de energía
“STOP”, el modo “background” y sobre la activación de la función “reset”. Se configura
este registro es la siguiente: 11010010 para cumplir con las funcionalidades deseadas. En la
figura 3.5 se muestra la configuración de este registro.
Figura 3. 17 Registro SOPT1
Nótese en la Figura 3.17 que este registro no necesita ser configurarlo pues después del
POR (“Power On Reset”) se configura automáticamente a valor que se indicó arriba. No
obstante, resulta importante explicar la función de cada bit de este registro:

COPE = 1: Habilita el COP Watchdog, que produce un Reset del sistema en caso de
que el dispositivo falle por razones de software.

COPT=1: Selecciona un largo período de tiempo del COP (con 0 el período de
tiempo sería corto)
45

STOPE=0: El modo de STOP que se utiliza para ahorrar potencia está desactivado.

BKGDPE=1: El pin número dos funciona como Backgroud Debug que es por
medio de esta función que se descarga el programa de la computadora a la memoria
FLASH del MCU.

RSTPE=0: El pin número uno no funciona como Reset, a diferencia de si este bit
estuviese en 1.
3.2 Diagrama de flujo
La programación del software consiste en la implementación de un programa principal, y
dos subrutinas de interrupción activadas por hardware.
Programa Principal
El programa principal es el que contiene la rutina de revisar el estado de los pulsadores.
Esta revisión se debe hacer cada cierta cantidad de tiempo (0,5 s), y no constantemente,
porque si este fuera el caso, la luz pasaría de estar totalmente apagada a completamente
encendida en un período de tiempo extremadamente corto, es decir, bastaría pulsar un
botón por un instante, para que la luz cambie completamente de estado. El tiempo de 0,5
segundos se escogió experimentalmente a través de pruebas con diferentes valores para ver
cual se ajustaba mejor a un incremento moderado de la intensidad de la luz. Este es un valor
constante en el programa y para editarla habría que modificar el código de programa.
La revisión del estado de pulsadores consiste en tomar alguna de las siguientes acciones
requeridas:
46

Si el pulsador de aumento de luz está oprimida, la luz se intensifica en un 1%. Es
importante notar que si la intensidad de luz debe aumentar en un 1%, solamente hay
que atrasar el momento en que se presenta el pulso de disparo en una única
interrupción. Esto debido a lo explicado en el Registro MTIMMOD del módulo del
temporizador.

Si el pulsador de disminución de luz está oprimido, la intensidad lumínica se atenúa
en un 1%.

Si ambos pulsadores están oprimidos simultáneamente y la luz está encendida, la
luz se apaga totalmente en forma de rampa.

Si ambos pulsadores están oprimidos simultáneamente y la luz está apagada, la luz
se enciende al último nivel que esta haya estado encendida, lo hace en forma de
rampa.
Entonces, en el programa principal se revisa el estado de los pulsadores y se guarda en
memoria el nuevo valor del ángulo de disparo. Pero este ángulo de disparo no es
implementado hasta que llega la interrupción de temporización. En primera instancia, sin
embargo, se presentan las tareas de la subrutina de atención al comparador analógico,
invocada cuando la señal de la red eléctrica cruza por cero.
Subrutina de atención al comparador analógico

Se carga el nuevo valor de ángulo de disparo que se actualizó en el programa
principal al revisar el estado de los pulsadores, y se guarda como el valor final al
cual el temporizador debe contar. Es decir, que guarda el ángulo de disparo como la
47
cantidad de interrupciones que deben presentarse hasta producir un pulso de
disparo.

Se lleva a 0 el contador del temporizador para que empiece el conteo desde este
valor. El registro MTIMMOD debe ponerse en 0 para que reinicie el contador.

Se indica que únicamente se puede producir un pulso de disparo cada medio ciclo.
Ahora se procede a explicar la subrutina de interrupción por tiempo.
Subrutina de interrupción por tiempo

Implementar el contador de 0,5 s para que sólo se revise el estado de los pulsadores
cada esta cantidad de tiempo.

Esto se logra poniendo un contador que se incremente cada vez que se presenta una
interrupción. Luego de 255 veces (parte baja del contador) por 25 repeticiones
(parte alta del contador), se tiene: 255*25*0,0825ms=525 ms.

Cargar el valor que fue guardado en la subrutina de cruce por cero como: “el valor
final al cual el temporizador debe contar”, y compararlo con la cantidad de tiempo
que ha pasado desde que se produjo el cruce por cero de la red eléctrica. Si el
tiempo ya se ha cumplido la salida cambia de estado. Esto sirve para producir el
pulso de disparo, pero con esto solamente se tiene el flanco positivo del pulso, falta
cerrar este con el flanco negativo.

Implementar un nuevo contador, encargado de contar 2% del periodo de tiempo que
tiene medio ciclo de la señal de la red eléctrica (0,1667 ms). Para contar este 2% del
medio ciclo de la red eléctrica, solamente hay que contar que se produzcan dos
interrupciones de 0,0825 ms.
48

Una vez transcurrido el tiempo de 0,1667 ms cambiar nuevamente el estado de la
salida para cerrar el pulso de disparo que va a disparar el TRIAC.
Seguidamente se ilustra el diagrama de flujo:
49
Figura 3. 18 Diagrama de flujo sección 1
50
Figura 3. 19 Diagrama de flujo sección 2
51
Figura 3. 20 Diagrama de flujo sección 3
52
Figura 3. 21 Diagrama de flujo sección 4
53
Figura 3. 22 Diagrama de flujo sección 5
54
Figura 3. 23 Diagrama de flujo sección 6
55
Figura 3. 24 Diagrama de flujo sección 7
56
3.3 Implementación del programa
Freescale brinda el sistema de desarrollo denominado CodeWarrior, que permite programar
el código que se va a descargar en la memoria FLASH del MCU. Resulta muy útil este
producto de Freescale, pues existe mucha documentación sobre la forma de utilizarlo.
Además CodeWarrior cuenta con la herramienta Proccesor Expert que configura de manera
automática los periféricos, puertos y registros para que estos puedan ser utilizados. Se
programó en lenguaje ensamblador el código de programa. Luego se descargó el programa
en la placa DEMO9S08QG8GUG, para verificar el correcto funcionamiento de cada una de
las especificaciones. Cuando el programa estuvo depurado se programó el MCU de la
placa de aplicación final.
57
4 CAPITULO 4
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 Conclusiones

Se entendió la arquitectura del microcontrolador MC9S08QG8.

Se aprendió a utilizar el sistema de desarrollo CodeWarrior.

Se diseñó e implementó el código de programa.

Se participó en el diseño y desarrollo del hardware del dispositivo.

Se montó un prototipo del producto y verificó su correcto funcionamiento.

Se estudió el funcionamiento del programa Eagale versión 5.11.

Se desarrolló el circuito impreso del Dimmer en el programa Eagle.

Se contactó a los proveedores para suplirse de los elementos necesarios.

Se implementó el dispositivo final en el circuito impreso. Se llevó el proyecto a una
terminación del producto final.
4.2 Recomendaciones

Etiquetar con nombre las posiciones de memoria utilizadas en el programa, como
variables y parámetros.

Ampliar el funcionamiento del dispositivo, para que no solo tenga la función de un
atenuador de luz con apagado y encendido automático. Sino que tenga la
funcionalidad de realizar un control de escenas. Con la propiedad de poder llevar la
intensidad de luz a un valor deseado y almacenar ese nivel en memoria, para que
posteriormente solo se recargue y el escenario quede presentado con los valores
previamente asignados.
58
5
BIBLIOGRAFÍA
1. Camden electronics ltd. (2000). Vertical Box for Din Rail.
2. Freescale Semiconductor, Inc. (2006). Application Module Student Learning Kit
Users Guide featuring the Freescale MC9S08QG8.
3. Freescale Semiconductor, Inc. (2009). MC9S08QG8 Data Sheet.
4. Freescale Semiconductor, Inc. (2009). Processor Expert.
5. Freescale Semiconductor, Inc. (2009). Processor Expert and Device Initialization
User Guide.
6. Turner, J. (abril de 2010). Board Certified. IEEE Spectrum.
59
APÉNDICE
60
61
APENDICE A: MEMORIA DE CÁLCULO
A.1 Detección de Cruce por Cero
Se va a utilizar una resistencia para limitar la corriente. Si se quiere que por los diodos
circulen máximo 0,6 mA, por lo tanto:
√
(A.1)
(A.2)
Se escoge el valor comercial de 270 kΩ que es un valor cercano al calculado en la ecuación
A.2. Entonces la corriente circulando a través de esta resistencia sería de 0,62 mA. Por otra
parte, va a disipar una potencia dada por:
√
(A.3)
Por lo tanto se escoge una resistencia de 270 kΩ, de 1/4 de W.
Para los diodos “clamping” se van a utilizar el número de parte 1N4148, 100 V, 200 mA.
Con esto dicho, ya se tienen los cálculos para obtener la señal que otorga los cruces por
cero de la onda de la red eléctrica.
Luego para en el otro pin del comparador analógico se tiene:
(A.4)
Además si se desea que la corriente que demandada por el divisor de voltaje de 1 mA,
entonces se tiene:
62
Es importante calcular cual es el mínimo ángulo de disparo que se puede tener:
Sea:
(A.5)
√
Con
,
y para |
|
(
:
√
)
(A.6)
(A.7)
Al pasarlo a grados:
(A.8)
Por lo tanto:
(A.9)
Este es mínimo ángulo de disparo.
A.2 Convertidor AC/DC
Para determinar los valores de los elementos, se debe suponer un valor adecuado en el caso
máximo de Vx. Tómese Vx=32 V que es un voltaje considerablemente mayor que los 24V
deseados en la fuente de alimentación .Luego, por el divisor de tensión:
√
Recordando que:
(A.10)
63
(A.11)
Seguidamente, se escoge utilizar una capacita C4 de 22 uF, que es lo suficientemente alta
para que la impedancia de entrada sea baja, y de esta manera no se limita la corriente de
entrada al circuito. Entonces, al considerar una frecuencia de 60 Hz:
(A.12)
Está capacitancia C4 debe ser de más de 200 V para soportar los voltajes de la red eléctrica
y debe ser de tipo no electrolítica.
El siguiente elemento a escoger es la capacitancia C1, la cual se desea que tenga un valor
alto para eliminar grandes cantidades del rizado y tener un componente DC más elevado.
Así se escoge un C1 de 47 uF, donde al considerar una frecuencia de 120Hz por el ser
rectificación de onda completa se tiene:
(A.13)
Basta con que esta capacitancia C1 sea de 35 V y de tipo electrolítica.
Nótese que ya se tiene los valores de
, finalmente se despeja de la
ecuación A.17 y se encuentra que:
(A.14)
Se escoge una resistencia R1 de 7,4 kΩ que es un valor próximo al calculado anteriormente.
Para 7400Ω el Vx máximo corresponde a: 32,008 V. Además la potencia que disipa esta
resistencia viene dada por:
(A.15)
64
( )
Por lo tanto se escoge una resistencia de 0,5 W de 4,7 k .
Finalmente, para rectificar la señal se va a utilizar un puente de diodos que soporte los
167,9 V de la red eléctrica, por lo tanto se escoge el DF02MA que tiene capacidad para
200V y 1 A.
A.3 Fuente de tensión de 24 V
Ya se decidió que Vx tiene un máximo de 32 V, y su nivel DC es muy cercano a este
debido al capacitor C1 que elimina gran parte del rizado. Pero como se quiere tener una
excelente regulación de línea y carga, se procede a implementar la fuente con un diodo
zenner de 24 V.
(A.16)
La corriente máxima que pasa por cada pulsador y se dirige al MCU es de 5 mA, y como
esta fuente va a manejar 4 pulsadores, se tendrá la siguiente corriente de carga máxima:
(A.17)
Por otra parte, la corriente máxima en el zenner se presenta cuando la corriente de carga es
mínima (0 A). Entonces:
(A.18)
Escogiendo el diodo Zenner 1N5934B que tiene un
se tendrá:
(A.19)
65
Se escoge una resistencia cercana a este valor:
(A.20)
Por otra parte, se tiene que la potencia que disipa esta resistencia es:
(A.21)
( )
(
)
Se escoge una resistencia de 270 Ω y de 2 W.
Además se debe determinar la potencia que disipa el zenner, y ésta viene dada por:
(A.22)
Se escoge el diodo Zenner 1N5934B para 3 W.
A.4 Fuente de tensión de 3 V
Esta fuente va a estar manejando una corriente de carga dada por:
(A.21)

Corriente de entrada al photodrlington 4N33: 2 mA

Corriente de entrada al optotriac MOC3023: 5 mA

Corriente de entrada al MCU a través Vcc: 5 mA
(A.22)
66
Entonces se escoge diseñar la fuente de 3 V para una corriente de carga máxima de 35 mA
para tener un margen de seguridad y además de permitir una posible ampliación del
circuito.
Primeramente se desarrollará una fuente utilizando un diodo zenner que permita obtener 3,9
V, y luego se va a implementar el regulador. Pero antes se va a colocar un diodo zenner
para reducir la diferencia de potencial en R4 y disminuir el voltje de “dropout” del
regulador. Se elige que el voltaje en este zenner sea de 15 V, con un número de parte
1N5929BG con
. Luego, si se desprecia el rizado:
(A.23)
Además hay que considerar el voltaje de “dropout” del regulador LP2950:
máximo y se quiere que:
(A.24)
Por lo tanto
. Utilizando el diodo zenner NZX3V9A se tiene que:
(A.25)
Entonces:
(A.26)
Y se escoge un valor comercial de 270 Ω.
Por otra parte hay que calcular la potencia disipada:
67
(
)
(A.27)
Entonces se va a utilizar una resistencia de 270 Ω, 2 W, 5%.
Hay que considerar la potencia disipada del zenner de 15 V, que viene dada por:
(A.28)
El zenner 1N5929BG es para 3 W, entonces no se presenta ningún problema.
A continuación se calcula la potencia disipada del diodo zenner de 3 V:
(A.29)
El zenner NZX3V9A es para 0,5 W por lo tanto no hay ningún inconveniente.
Finalmente hay que calcular la potencia disipada del regulador LP2950, entonces:
(A.30)
(A.31)
Entonces:
(A.32)
Suponiendo un temperatura ambiente de 40 °C. Se tendría:
(A.33)
Como para LP2950 el
sobrecarga térmica.
se puede concluir que no es necesaria la protección de
68
Se utilizara una capacitancia de 1 uF a la entrada del regulador, y otra capacitancia de 0,1
uF a la salida del LP2950.
A.5 Interfaz de entradas digitales
Se van a manejar 5 mA para el IRLED, dado que el 4N33 tiene un CTR>500% y se
requiere
. Entonces:
(A.34)
En donde:



=5 mA
(A.35)
Si se toma un valor estándar de 4,7 kΩ se tiene:
(A.36)
Falta calcular la potencia disipada que viene dada por:
(A.37)
Entonces se escoge una resistencia de 4,7 KΩ, 1/4 W, 5%.
Luego, como se quiere una corriente de colector de 1 mA y con un
:
69
(A.38)
(A.48)
Además la potencia disipada que viene dada por:
(A.39)
A.6 Interfaz de potencia:
Se comienza por realizar la selección paramétrica del TRIAC y el disipador. Se busca que
cada de grupo de luces sea capaz de manejar una carga de 300 W, 120 Vrms, y un corriente
de 3 Arms. Como se quiere disminuir el tamaño del disipador se elige un TRIAC con un
corriente RMS de 12 A, siendo el número de parte BTA312X-600D para
Además que
Entonces, para
,
ambiente de 30
y
.
se tiene que
sin180 . Además
) y asumiendo una temperatura
(tomando
se tiene el siguiente diagrama ilustrado en la Figura A.1:
Figura A. 1
(A.40)
Además:
70
(A.41)
(A.42)
Se escoge el disipador 53074B00000G de AAVID THERMALLOY que tiene una:
(A.43)
Entonces a plena carga y con temperatura ambiente de 30
se tendr a:
(A.44)
Por otro lado para un corriente típica del 50% de la capacidad máxima: 150 W, 1,25 A,
=1,8 W. Se obtendría:
(A.45)
Se procede a seleccionar el optotriac y para esto hay que considerar que debe tener un
voltaje de ruptura mayor o igual a 300 V y una corriente de transporte mayor a 5mA
(
). Por otra parte, es imperativo que
pues es la corriente dispuesta para
IRLED. Además debe ser del tipo “non zero crossing detection”. Se elige el MOC3023 con
,
,
,
se ilustra en la Figura A.2 mostrada a continuación:
. Donde el modelo de pulso de
71
Figura A. 2
De donde se tiene:
√ ∫
Con:


(A.46)
√ ∫
(A.47)
√
(A.48)
72

Dónde:
√
(A.49)
(A.50)
Entonces se va a trabajar con una corriente
cuando el ángulo de disparo sea en
. Además el peor caso se tendrá
√
,
√
. De esta manera:
(A.51)
(A.52)
Se escoge el valor comercial de 330Ω, para la cual
la cual es muy inferior
a
Es importante calcular la corriente disipada por esta resistencia que viene dada por:
(A.53)
Entonces se escoge un resistencia de 330 Ω, 1/4 de W.
Se debe verificar el funcionamiento del TRIAC para ángulos cercanos a 0 y 180 . En la
Figura A.3 se muestra la conexión del TRIAC:
73
Figura A. 3
En donde:





Entonces es posible calcular el m nimo voltaje A (entre las terminales “main terminals”)
para mantener en estado de encendido el TRIAC.
(A.54)
Sea:
(A.55)
Con
√
,
y para |
|
:
(
√
)
(A.56)
(A.57)
74
Al pasarlo a grados:
(A.58)
Por lo tanto:
(A.59)
Esto quiere decir, que el rango de valores del ángulo de disparo va de 2 hasta los 178 .
Por otra parte, para calcular la resistencia
que está conectada al ánodo del IRLED hay
que considerar que se quiere que la corriente que entra al optotriac sea de 5 mA, entonces
se tiene:
(A.60)
En donde:

: es la caída de tensión en el IRLED

: es el voltaje en estado bajo en el puerto de salida del microcontrolador

: es la corriente que pasa por el IRLED
Como se escogió el MOC3023 se tiene:
(A.61)
Hace falta calcular la potencia disipada por esta resistencia:
(A.62)
Se escoge una resistencia de 200 Ω, 1/4 de W.