ESCUELA POLITCNICA NACIONAL ESCUELA DE FORMACIN TECNOLGICA CONSTRUCCIN DE UN MDULO DIDCTICO PARA CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTNUA MEDIANTE EL USO DE UN MICROCONTROLADOR DOTADO DE OSCILADOR INTERNO PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE TECNLOGO ELECTROMECNICO Diego Vinicio Snchez Proao Franklin Olmedo Ocampo Jimnez Director: Ing. Alcvar Costales Quito, 30 09 --06 2 DECLARACIN Nosotros,DiegoSnchezyFranklinOcampo,declaramosbajojuramentoqueeltrabajo aqu descrito es completamente de nuestra autora, que no ha sido previamente presentado paraningngradoocalificacinprofesional;y,quehemosconsultadoalasreferencias bibliogrficas que se incluyen en este documento. Atravsdelapresentedeclaracincedemosnuestrosderechosdepropiedadintelectual correspondientesdeestetrabajo,alaEscuelaPolitcnicaNacional,segnloestablecido porlaLeydePropiedadIntelectual,porsuReglamentoyporlanormatividadinstitucional vigente. ________________ ____________________ Diego Snchez Franklin Ocampo 3 CERTIFICACIN CertificoqueelpresentetrabajofuedesarrolladoporDiegoSnchezyFranklinOcampo bajo mi supervisin. .________________________ Ing. Alcvar Costales Director de Proyecto 4 NDICE CONTENIDO Pg CAPTULO 1 1. Bases FundamentalesIntroduccin1 1.1. La Conversin AC- DC1 1.2. El Microcontrolador4 1.2.1. Arquitectura Interna 6 1.2.1.1. El Procesador 6 1.2.1.2. Memoria del Programa8 1.2.1.2.1. ROM con Mscara 8 1.2.1.2.2. EPROM9 1.2.1.2.3. OTP9 1.2.1.2.4. EEPROM9 1.2.1.2.5 FLASH10 1.2.1.2.6 Memoria de Datos10 1.2.1.2.7. Lneas de entrada y salida para perifricos12 1.2.1.2.8. Recursos auxiliares 12 1.3. El Motor de corriente contina14 1.3.1. Torque y Fuerza Electromagnticos 16 1.3.2. Fuerza Contraelectromotriz18 1.3.3. Potencia Desarrollada20 1.3.4. Caractersticas del motor231.4 Breve descripcin de los elementos utilizados 24 1.4.1. Resistencias24 1.4.2. Diodos261.4.3. Optoacopladores 28 1.4.4. Regulador de voltaje 30 1.4.5. TRIAC 31 1.4.6. Relevadores 32 1.4.7. Transistores 33 5 1.4.8. Transformadores33 1.4.9. Condensadores36 1.4.10. Pulsadores 37 CAPTULO 2 2. Diseo del mdulo Introduccin 38 2.1. El hardware del mdulo 40 2.1.1. Entradas 40 2.1.2. Salidas a los actuadores y sealizacin 44 2.1.3. Freno dinmico49 2.2. El software del mdulo54 CAPTULO 3 3.1. Resultados, Conclusiones y Recomendaciones64 3.1.1. Pruebas al vaco64 3.1.2. Pruebas con carga 64 3.2. Conclusiones y Recomendaciones 65 BIBLIOGRAFA 69 ANEXOS70 6 RESUMEN Tradicionalmente dentro de la Escuela se ha tenido siempre la facilidad de contar conbuenosprofesoresqueutilizantodoslosmediosdisponiblesparapoderde unamaneralomaspragmticaposibleexplicaralalumnadotodoloreferentea los temas tratados. Apesardesusevidentesesfuerzosporlograresto, muchasdelasocasionesla faltadealgunosdeestoselementosdenomuyelevadadificultadpara conseguirlos,tiendenenpartealimitarelavancedelconocimientoenlas instalacionesdelaEscuela,porloquehemosdecididoconjuntamentecon nuestroingenieroDirectordeTesiseliniciarconlaimplementacindelpequeo mdulo didcticoque hemosestadodiseando alolargodelos mesespasados paradeestamanerapaliarenprincipioapequeaescalaconelproblema descrito inicialmente. ContandoconestepequeoequipodentrodelasinstalacionesdelaEscuela, veremos en gran manera o por lo menos a partir de ahora-, podremos observar queleenseanzadelostemastratadossebeneficiargraciasala implementacin de mdulos como este que a pesar de no ser del tipo industrial o comercial,contienenlaaplicacinprcticademuchosdelostemasquehemos podido recibir a lo largo de nuestro paso por la Escuela. EsasqueaplicandonuestrosconocimientosreferentesalaElectricidad, MquinasElctricas,InstalacionesElctricas,CircuitosDigitales,Electrnica General,ElectrnicadePotencia,ControlyAutomatismosIndustrialesII,sehan conjugadoparaconseguirdeestaformaplasmarelmdulodidcticoque presentamos. Nuestro mdulo, adems de ser el inicio de la solucin a una problemtica de la Escuelaengeneral,sehaconcebidoteniendoencuentalosconocimientosque nos han sido entregados en las materias enlistadas anteriormente, y por lo tanto, poniendo al alcance del resto del nuevo alumnado la aplicacin prctica de todos aquellosconocimientosylaposibilidaddeplasmarlosendispositivosrealesque 7 pueden contribuir, con un poco mas de esfuerzo e investigacin, junto a un mayor desarrollo, a encontrar soluciones prcticas para la industria de hoy en da. Nuestrodiseopartedebuscarunaaplicacindeloaprendidoenelcursode AutomatismosIndustriales,cursoenelcualsetrateltemade microcontroladores por vez primera para los alumnos de la Carrera de Tecnologa Electromecnica,yesascomoiniciamosnuestrodiseobasndonosenel PIC16f628a,elcualvienedotadodevariascaractersticasqueresultansermuy tiles y que describiremos oportunamente. Sehautilizadoprcticamentetodoslospinesdelosprticosaybtantoparael censadodesealescomoparapermitirlaactuacindelosdispositivosque cumplen con su respectivo cometido. Debe recordarse que las velocidades que se conseguir son fijas, en nmero de tres solamente, se cuenta igualmente con un dispositivo incorporado para facilitar el frenado del motor y la inversin de giro. La implementacin de algunas partes, -una minora en realidad, como la inversin de giro por ejemplo-, se da gracias a la presenciadedispositivoselectromecnicoscomorels,perocumpliendoconla variacindevelocidadgraciasadisparoscomandadosporelmicrocontroladory sus respectivos dispositivos semiconductores, de mayor tendencia a uso en estos dasporlagrancantidaddeprestacionesqueestostienencomparativamente hablandoalcompararlosconlostradicionalesmediospuramente electromecnicos. Almomentodeenergizarseactivaelfrenoregenerativo,debeescogerse primeramente la velocidad y luego el sentido de giro deseados, y el mdulo est programadoparanopermitirquesecambiedesentidodegirobruscamente, obligandoalusuarioafrenarelmotorprimeramenteparaluegoprocederal cambio de giro, entre otras prestaciones. 8 INTRODUCCIN Atravsdeldesarrollodeestemdulodidcticoestamossegurosdeestar haciendounacontribucinsignificativaparalasinstalacionesdelaEscuela,y conociendoacercadelanecesidaddeponerenprcticalosconocimientos adquiridos presentamos este proyecto de titulacin. Existen en el mercado dispositivos de control analgico a travs de componentes electromecnicos, como los equipados con resistencias de arranque y otros, pero que estn tendiendo a desaparecer debido a la gran novedad en optimizacin de recursos que significa el implementar los mismos por medio de componentes del tipodesemiconductores.Losdispositivoscorrientestienendesventajascomola prdidadepotenciaporaumentodetemperatura,puedeserrelativamentepoco exacto, consta en muchos de los casos de componentes demasiado costosos, de difcilyenocasionesespecializadareparacinymantenimiento,elcualdebe proporcionrsele de manera contnua y apreciable. Reducimos en gran manera estos inconvenientes cuando implementamos nuestro mdulo,porquealdotarledeunmicrocontroladorsereducenmuy considerablemente el tamao y el costo de las partes, mejoramos la confiabilidad, yelrendimientodeestecontrol,porestopodemossintemoraexageracinni equivocacin que este mdulo tiene una potencialidad considerable ya que puede tomarsecomobaseparaposterioresestudiosydesarrollarseenelfuturocon otrascaractersticasdefuncionamientooagregarinclusivenuevasfuncionesde control, como el control mas exacto de corriente, y vigilancia de otras funciones de controlcomoaumentodesmesuradodetemperaturaenelequiposometidoa pruebaoinclusollegaralpuntodeelaborarunbancodepruebasparamotores elctricosenelquesepuedadetectarfallasdeltipoelctricoyposiblemente hasta mecnico. Paraelmdulo,elcualconstituye,porllamarlodealgunamanera,unpequeo PLCconsalidastantodecontactosmecnicoscomosemiconductores,yquees capaz,atravsdesussalidasdesemiconductoresdeproporcionarrdenesde muyaltavelocidad,delordendelosmicrosegundos,queeseltiempoquetoma 9 unmicrocontroladorparaejecutarunaordendependiendodeltipodeoscilador con el que se le haya dotado. As, en el mdulo que hemos propuesto, iniciamos a partirdelaalimentacinmonofsicafijaproporcionadaporlaEmpresaElctrica Quito,y,pasandoporunpuenterectificadordividimosestaalimentacinendos ramificaciones, la primera de estas dos derivaciones se dirige hasta un sensor de cruce por cero del tipo de diodo zener, el cual que proporcionar la seal para que el microcontrolador luego de l pueda tener esta pauta para retardar el disparo de lostriacsquealimentanporlasegundaderivacinalmotorconlaenerga dosificadaquesterequiereparapoderfuncionardentrodelosparmetrosque hemos establecido previamente. Deberecordarsequeelcensadodelasealparaproporcionrselaal microcontroladorserealizademaneraindirecta,estoesatravsdeun optoacoplador, y la salida de la seal que este proporciona a los TRIACs se logra de la misma manera para as impedir que cualquier dao que pudiera sobrevenirle a la parte de fuerza del mdulo est absolutamente impedida de causar cualquier tipo de dao permanente en la parte de la tarjeta de control y especficamente en el microcontrolador y su programa, logrando mediante esto protegerlos. Recordamosigualmentequeparanuestromduloutilizamosdiferentesvoltajes en diferentes etapas del mismo, partiendo desde la seal TTL 0 lgico y 1 lgico, esdecirde0yde5voltios,luegode12voltiosparalaalimentacindelas bobinas de los rels, y por lo tanto de las salidas por contactos, y tambin de 100 a 110 voltios de corriente contnua rectificada no filtrada para conducirla a travs de los TRIACs y llevarla hasta el motor. 10 CAPTULO 1 BASES FUNDAMENTALES 11 CAPTULO 1 1.BASES FUNDAMENTALES INTRODUCCIN Para poder iniciar el desarrollo de esteproyecto se vuelve necesario el describir ciertoscomponentes quesernutilizadosalolargodelmismo,yporlotantose presentarnlascaractersticasdelosqueseutilizarnparaaprovecharlas adecuadamente. LA CONVERSIN AC DC Existenvariosmtodosatravsdeloscualesesposibleconvertirlasealde voltaje alterno de 60 hertzios que entrega la Empresa Elctrica Quito en una seal de voltaje contnua pulsante. Elprimerodeestosdosmtodosyprobablementeelmsefectivoconstituyeel trabajar con un transformador de tap central, luego del cual se coloca en sus Figura 1.1 Rectificacin de onda completa con Transformador de Tap Central dos bobinados dos diodos que se conectan en un nodo comn despus del cual setomalaalimentacinparalacarga,yporelotroextremodelacargase conecta a tierra en el mismo punto que el tap central del transformador. 12 Estetipoderectificacinqueseobservaenlafiguranmerouno,tieneuna excelenteventaja,debidoaquelacadadevoltajequesedaporelpasode corriente a travs de los diodos se atena en comparacin con la segunda forma de rectificacin de la seal de voltaje alterno, pero por otro lado en ocasiones, por supuestodependiendodelapotenciaqueeltransformadornecesiteentregaral circuito, el aspecto negativo de este tipo de rectificacin presenta el inconvenientedequeuntransformadordetapcentralsuelecostarunpocomsqueuno corriente sin taps. Elsegundomtododerectificacineselmayormenteutilizado,yconstadeun transformadorcorrienteperosintapcentral,cuyosterminalesseconectanaun arreglo de puente de diodos comercial que puede encontrarse en el mercado, y se obtiene corriente contnua pulsante. Como se deca anteriormente, esta modalidad de rectificacin que se muestra en la figura 2 tiene la deficiencia obviamente no demasiado representativa- de que comolacirculacindecorrienteseproduceatravsdedosdiodosalmismo tiempo,setieneunacadadevoltajemayorquelarectificacindetapcentral, que, segn lo estudiado en clases puede ser del orden de los 0.6 voltios por cada uno de los diodos por los que la corriente tenga que circular, dependiendo si stos son de silicio o germanio. Porlaraznanteriormenteexpuesta,sevuelvenecesarioqueeltransformador arroje un voltaje de por lo menos 2 voltios mayor al que se requiere obtener luego delpuenterectificador,paraluegoalcanzarelvoltajemsaproximadoalquese desea obtener luego del puente rectificador. Figura 1.2 Rectificacin de onda completa con puente rectificador 13 Por otro lado, para poder trabajar con la mxima seguridad posible, no se puede bajoningnconceptoexponeralmicrocontrolador,queesextremadamente sensibleacualquiertipodesobrevoltaje,porqueseraundaofulminanteque podraconfacilidadaveriarloseriamente,porestarazn,elcircuitode alimentacindecorrientecontnuaquesehaimplementadodentrodelmdulo didctico se ha trabajado como se explica a continuacin: Primeramentese utilizauntransformadorreductorde110va12 v,0v,12vde tapcentralconsalidadecorrientede3amperioscomoelquemuestralafigura nmero 3. Figura 1.3 Fuente de corriente contnua utilizada usando el circuito 7805 y 7812para alimentacin al circuito digital del mdulo didctico. Elprimariodeltransformadorseconectaalalneadealimentacindelmdulo didctico,obviamenteentradadecorrientealterna,enelsecundarioseobtiene corrientealternade12vy3amperios,luegosealimentaconestacorrientedos diodos comerciales para alimentar el circuito, el cual est formado esencialmente por el microcontrolador PIC16F628a. LuegodelarectificacinseutilizaunfiltroC,conuncapacitorparadisminuir significativamente el rizado con el que sale el voltaje rectificado desde el puente. 14 Una vez que se ha pasado por la etapa de rectificacin y filtrado, se alimenta con estevoltajealintegrado7812,elcualpuedearrojar12voltiosdecorriente contnuapura,queesunasealquesepuedeutilizarparaalimentarlos relevadores,yconel7805sealimentaelcircuitointegradoconformado principalmente por el microcontrolador escogido para el proyecto didctico. 1.2. EL MICROCONTROLADOR Enlaactualidadexistenvariasempresasqueseencuentranfabricando microcontroladores,yfabricanunagrancantidaddemodelosquefacilitanla implementacin de proyectos con microcontroladores. Una de estas empresas es la Microchip Technology, la cual lidera las ventas de este dispositivo, debido a ser barato,ampliagamademodelos,ellenguajedeprogramacinesrelativamente sencillo, por lo que en nuestra universidad y muchas ms del mundo lo estudian a profundidad. Unmicrocontroladortienelaaparienciaexteriordecualquierotrocircuito integradocorriente,conladiferenciadequelasfuncionesqueescapazde desempearpuedenasignrsele,esdecirselopuedeprogramarsegnla necesidaddelusuarioparaqueejecutelasrdenesquesehangrabado previamente en su memoria. Para poder avanzar de la mejor manera en este punto se hace necesario estar en capacidad de poder responder satisfactoriamente qu es un microcontrolador? Para esto, en buenas cuentas y sin temor a equivocaciones podemos afirmar que unmicrocontroladoresuncomputadorquesehametidodentrodeuncircuito integrado.Porlaideaanteriorsepuedeigualmenteafirmarqueson computadores muy pequeos y baratos, por lo que se usan para controlar muchos dispositivoscomunes,porloqueenocasionessehallaincrustadodentrodelos mismos,comoeselcasodeloscelulares,elteclado,elratndelcomputador, como son pequeos tambin sirven solo para una sola tarea a la vez y tienen una potencia limitada. 15 Enestesiglolaintroduccindelosmicrocontroladoresentodoslosartefactosindustrialescomoelnuestroeinclusodelhogarrequerirunagrancantidadde profesionales preparados para efectuar esta tarea. ElmicrocontroladoresuncircuitointegradoquecontieneunaUnidadCentralde Proceso(UCP)alacualsellamaprocesador.EstaUCPestconstituidaporla Unidad deControl,la cualinterpretalasinstruccionesyelCaminodeDatosque lasejecuta.Lospinesdeunmicroprocesadorcomunicanconelexteriordel microprocesadorlaslneasdebusesdedirecciones,datosycontrol,para conectarleconlamemoriaylosmdulosdeentradaysalidaydeestamanera terminarconfigurandouncomputadorimplementadoporvarioscircuitos integrados,poresto,sedicequeunmicroprocesadoresunsistemaabierto porque su configuracin no es fija dependiendo de la aplicacin con la que se le destine. Por lo que se ha expuesto anteriormente permite afirmar que un microprocesador esunsistemaabierto,porquepuedeconstruirseuncomputadorconlas caractersticasquesedesee,siempreycuandoseleaadalosmdulos necesarios, mientras que un microcontrolador es un sistema cerrado que contiene un computador completo y de funciones limitadas que no pueden ser modificadas. Figura 1.4 Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La funcionalidad de los buses en el exterior permite que se configure la aplicacin a la medida de la necesidad 16 1.2.1. ARQUITECTURA INTERNA Elmicrocontroladorposeetodaslascaractersticasdeuncomputador,incluso susmismaspartescomponentes,peroconciertascaractersticasfijasqueno puedenalterarse,anas,sepuedeenlistaralgunasdesuspartesprincipales, entre las cuales se cuentan las siguientes: 1.Procesador 2.Memoria no voltil para contener el programa 3.Memoria de lectura y escritura para guardar los datos 4.Lneas de entrada y salida para los controles perifricos, como: a)Comunicacin Paralelo b)Comunicacin Serie c)Diversos prticos de comunicacin como USB, bus, etc. 5.Recursos Auxiliares: a)Circuito de Reloj b)Temporizadores c)Perro guardin (watchdog) d)Conversores analgico digital y digital analgico e)Comparadores analgicos f)Proteccin ante fallos de alimentacin g)Estado de reposo o bajo consumo. Y se contina indicando algunas caractersticas generales acerca de cada una de las partes que se ha enlistado anteriormente: 1.2.1.1. El Procesador Cuandosehabladelprocesador,laliteraturaexistentecoincidequeparafines prcticossetienequehablaracercadelasarquitecturasexistentesparael procesador,yesascomosehallegadoalempleodeprocesadoresde arquitecturaHarvard,lacualseutilizaenlosmicroprocesadoresmodernosyla tradicional arquitectura de von Neumann que se caracterizaba porque la UCP se 17 conectabaconunamemorianica,enlaqueseencontrabantantolosdatos comolasinstruccionesatravsdeunsistemadebusesdecomunicacin,tal como se puede apreciar en la ilustracin de la figura nmero 1.5. Figura 1.5 Esquema de la arquitectura tradicional de von Neumann usada anteriormente PorotroladocuandosehabladelaarquitecturaHarvard,seencuentrala particularidad de que la memoria de datos y la de instrucciones son mutuamente excluyentesyquecadaunadeellastienesupropiosistemadebuses independienteparasuacceso.Estotienesusventajas,peroprobablementela ms importante de ellas puede ser que la capacidad de las memorias es diferente. Acontinuacinmostramosenlafigura1.6laarquitecturaHarvard,lacualse utiliza hoy en da en los microprocesadores comerciales. Figura 1.6 Diagrama de arquitectura utilizada en la tecnologa Harvard para microprocesadores modernos Y en caso de seguir investigando acerca de las arquitecturas, se puede encontrar queseestnproduciendomicrocontroladoresconunanuevaarquitectura,la arquitecturaRISC(ReducedInstructionsSetComputers),queposeeuna coleccindeinstruccionespequeaysimple,atalgradoquelamayoradelas instrucciones pueden ejecutarse en un ciclo de instruccin. 18 Yaestoseaadequetambinseestgenerandolatendenciaasegmentarel procesador, lo que tiene por objetoque cada segmento del mismo atienda a una instruccin,estemtodosellamaenlasfuentesbibliogrficasparalelismo implcito. Tantoelparalelismoimplcito,laarquitecturaHarvard,yelcomputadorRISC logranquelosmicrocontroladoresmodernoslogrenalcanzarvelocidadesde trabajo de microsegundos. 1.2.1.2. Memoria para el Programa Elmicrocontroladorestdiseadoparaqueensumemoriadeprogramase almacenen todas las instrucciones del programa que se ha cargado previamente paraelcontrol,peroenelmicrocontroladornoexisteposibilidaddeaadirle memorias externas de ampliacin. Una vez que se ha cargado el programa, las instrucciones del mismo no cambian, porlocualpodemosafirmarqueelprogramaesfijounavezcargadoenel dispositivo,poresto,elprogramadebeestargrabadodemanerapermanente. Parasoportarestafuncinenlosmicrocontroladoresseutilizanlassiguientes versiones dememoria diferentes: 1.2.1.2.1. ROM con mscara Cuandosetrabajaconestetipodememoria,elprogramasegrabaenelchip duranteelprocesodefabricacinmedianteelusodemscaras.Peropor supuesto, este tipo de memoria y de grabacin del programa es muy costosa, as comoelinstrumentalimplicadoparasuelaboracin,porloquesolamentese utiliza cuando se necesitan grandes lotes de produccin. 1.2.1.2.2. EPROM 19 Para grabar esta memoria se necesita un dispositivo fsico que se controla desde unacomputadorapersonal,esteconjuntotomaelnombredegrabador.Parael usodeestetipodememoria,seutilizanmicrocontroladoresquetienenenla superficiedesucpsulaunapequeaventanadecristal,queseutilizapara someteralchipdelamemoriaaluzultravioletaparalograrborrarlaygrabarla nuevamente, su costo por unidad es elevado igualmente. 1.2.1.2.3. OTP ( Memoria programable una vez) Sielusuariotrabajaconestetipodememorias,solamentelapodrutilizaruna vez,delamismamaneraquelamemoriaEPROM,esdecirconelconjunto grabadordecomputadorayeldispositivograbador,peroadiferenciadela anterior, no se puede borrar. Tiene un precio bajo, y la grabacin es relativamente sencilla, por esto, se utiliza este tipo de memorias para prototipos finales y series de produccin cortas. 1.2.1.2.4. EEPROM Lagrabacindeestetipodememoriasselogradelamismamaneraquelas memoriasOTPyEPROM,peroborrarlasesmssencilloquelasanteriores, porquesenecesitatambinelconjuntograbador,esdecircomputadorayel quemadordemicrocontroladores,esdecirpuedeborrarseelctricamente.Sobre el mismo zcalo del grabador puede ser programada y borrada tantas veces como serequiera,poresto,estetipodememoriaesidealparalaenseanzade microcontroladoresascomoparautilizarlaenlacreacindenuevosproyectos, tieneporlomenos1kdepalabrasdememoriaEEPROMparacontener instrucciones y tambin tiene algunos bytes de memoria de datos para evitar que cuando se desconecta la alimentacin se pueda perder la informacin. Tericamente se puede grabar y borrar un milln de veces, pero la tecnologa de fabricacin tiene algunos problemas para alcanzar estas capacidades ideales, y el tiempodeescrituradelasinstruccionesesrelativamentegrandeyconelevado consumodeenerga,estosinconvenientespuedenachicarse,tantoesasque 20 unaquemaduradememoriatomanadamsunoscuantossegundos,yen muchosprogramascomputacionalesexistelaopcindeprogramacinabajo voltaje, como es nuestro caso. 1.2.1.2.5 Flash Estamemoriaesdetiponovoltil,debajoconsumo,sepuedeescribirenel zcalo grabador de la misma manera que las EPROM, pero a diferencia de stas, tienenmayoracapacidad.Enestetipodememoriassepuedegarantizar1000 ciclos de grabacin y borrado. Tambin son las ms recomendables y usadas cuando a travs de la vida til del productosevuelvenecesariomodificarligeraoprofundamenteelprograma original en funcin de la vida til del dispositivo o maquinaria controlada, como por ejemploeldesgaste,loscambiosdepiezasoadecuacindelasnoexistentes, como sucede en el caso de vehculos. Comoseve,tienemltiplesventajas,superioresinclusoalasdelasmemorias EEPROM,porloquelasestnsustituyendo.Porestarazn,MICROCHIP,por ejemplo,presentaenelmercadodosmicrocontroladoresprcticamenteiguales, que solamente se diferencian en que la memoria del programa de uno de ellos es detipoEEPROMyladelotroesdetipoFLASH,setratadelPIC16C84yel PIC16F84,respectivamente,aunquecomoennuestrocaso,tiendenautilizarse en su mayora los microcontroladores dotados con la memoria FLASH. 1.2.1.2.6. Memoria de Datos Una vez que se ha grabado el programa en el microcontrolador y se lo ejecuta, los datos que recibe y por lo tanto maneja, estn variando continuamente, esto es lo que obliga a que la memoria que los contiene deba ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM esttica (SRAM) es la ms adecuada aunque sea voltil. Eneste tipo dememoriaesdonderesidenlosregistroespecficos(SFR)con 24 posiciones de tamao byte,aunque dos de ellas no son operativas, y los registros de propsito general (GPR) de 68 posiciones. 21 Pero por lo general, los microcontroladores tambin disponen de una memoria de lecturayescrituranovoltil,deltipoEEPROM,detalformaque,sienun momentodadolaenergasecorta,elcortenoproducirunaprdidadela informacincontenidaalinteriordelmicrocontrolador.LamemoriaEEPROMes de64bytesdonde,opcionalmente,sepuedenalmacenardatosquesenecesita que no se pierdan. En la figura que se adjunta a continuacin se puede observar la memoria de datos con sus dos bancos. Y entre los recursos auxiliares estn los circuitos de reloj que se utilizan en algunos de los proyectos de microcontroladores, ya que en algunos de ellos se necesita mayor velocidad de trabajo. Figura 1.7 Memoria de Datos del microcontrolador visualizando los bancos de la misma 22 1.2.1.2.7. Lneas de entrada y salida para controladores perifricos EnelcasodelmicrocontroladorPIC16F628aqueseusa,setienelaopcinde prescindir de los pines para conexin a cristal oscilador y el reset externo, por lo queamsdelosdospinesdealimentacin,secuentaconpinesqueservirn para soportar la comunicacin con los perifricos externos que gobernar. Laslneasdeentradasalidaqueseadaptanconlosperifricosmanejanla informacin en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, los cuales reciben el nombredeprticos.Haymodelosquesoportanlacomunicacinenserie;otros disponen de conjuntos de lneas que implementan prticos de comunicacin como el USB, etc.,. 1.2.1.2.8. Recursos Auxiliares Dependiendodelasaplicacionesparalasqueseorienteelfabricante,cada modelodemicrocontroladortieneincorporadosunagrandiversidadde complementos que aumentan la potencia y la flexibilidad del dispositivo. Entre los recursosmscomunesalosmodeloscomercialesqueseencuentrancon facilidad se tienen los siguientes: a)CircuitodeReloj:queeselencargadodegenerarlosimpulsosque sincronizanelfuncionamientodetodoelsistema.Estecircuito,quese conocecomoosciladororeloj,esmuysimpleperodevitalimportancia paraelbuenfuncionamientodelsistema,yaquesinlnoseraposible ejecutarlasrdenesolaslneasdeinstruccinqueseencuentran programadas en el mismo. RC: oscilador con resistencia y condensador. Figura 1.8 Oscilador con resistencia y condensador 23 Y segn las recomendaciones de Microchip, los valores de R pueden ser de entre 5k y 100k, y C superior a 20pF. XT: Cristal Figura 1.9 Oscilador a partir de cristal de cuarzo que puede ser de hasta 20 Mhz HS: Cristal de alta velocidad LP: Cristal para baja frecuencia y bajo consumo de potencia Existen adems varias configuraciones que, dependiendo de las necesidades que se requiera cubrir, se debe saber exactamente cul tipo de oscilador se tiene que utilizar,yaqueenciertasaplicacionesnosepuedeelosciladorinternodel PIC16F628a,de4Mhz,enocasionesnisiquierasepuedeutilizarcristales externosde4Mhz,sinode hasta20Mhz.Comoporejemploparaproyectosen los que se involucra las llamadas telefnicas. Seaadeunatablaenlaqueseespecificaneltipodeosciladorquedebe utilizarse en caso de requerir generar frecuencias de diferentes magnitudes, entre los que se aade la configuracin Intr. I/O, que es el oscilador interno que se hautilizadoparaelproyecto,elcualdebeespecificarseenelprogramaquemador para que el PIC utilice su oscilador interno incorporado de 4 Mhz. 24 Figura 1.10 Tabla de configuracin de osciladores segn el cristal a utilizar, en que tambin se indica los valores de los capacitores que se deben usar b)Temporizadores:Sonlosauxiliaresquesedestinanparacontrolarlos tiempos. c)Perro Guardin: (watchdog), el destinado a provocar la reiniciacin cuando el programa queda bloqueado. d)Conversores anlogo digita, digital anlogo: para poder recibir y enviar seales analgicas. e)Comparadoresanalgicos:Usadosparaverificarelvalordelaseal analgica. f)Sistema de proteccin ante fallos de alimentacin. g)Estado de Reposo: en el que el sistema queda suspendido, en este estado el consumo de energa se reduce al mnimo. 1.3. EL MOTOR DE CORRIENTE CONTNUA Estaseccintieneporobjetodescribirbrevementeciertascaractersticasdelos motoresdecorrientecontnua,locualsevuelvenecesarioalahoradedescribir ciertosfenmenosquepuedendarsealmomentodetrabajarconunmotor particularcomoeste,iniciaremosenunciandociertasrelacionestilesparala comprensin del funcionamiento del motor que hemos empleado. Cuandosehabladeunmotordecorrientecontnua,sepuedenconfirmarlas siguientes aseveraciones: 1. El torque que se desarrolla produce y ayuda a la rotacin del mismo 25 2. El voltaje que se genera en los conductores portadores de corriente, que es la fuerza contraelectromotriz, se opone a la corriente de armadura, lo cual se debe a la Ley de Lenz. 3. Se puede expresar la fuerza contraelectromotriz mediante la ecuacin: EC = Va IaRa Donde,debemosrecordarquelafuerzacontraelectromotrizesmenorqueel voltaje aplicado que origina el flujo de la corriente de armadura Ia. Debe recordarse que esta ecuacin puede escribirse en funcin de cualquiera de las variables, como la corriente, el voltaje aplicado o la resistencia de armadura. Otradelasecuacionesnecesariasparapodercomprenderelfuncionamientode un motor de corriente contnua es la relacin correspondiente a la fuerza, la cual se expresa de la forma: F = B I L TambinllamadalaLeydeBiot-Savart,ecuacinenlaquesedemuestrala relacinentreB(densidaddeflujomagnticoenweberspormetrocuadradoo teslas), I (corriente en amperios) y L (longitud activa de conductor en metros). Yporltimo,tambinesnecesarioconocerhaciaquladogirarnuestromotor desdeelmomentoqueestenergizado,paralocualutilizamoslaregladela mano izquierda. Lasecuacionesquehemosescritoanteriormentesonaplicablesuniversalmente para toda clase de motores de corriente contnua que se utilizan en el mercado. 26 1.3.1. TORQUE Y FUERZA ELECTROMAGNTICOS No hace falta elaborar un gran estudio para llegar a la conclusin de que no es lo mismo hablar de torque y de fuerza, aunque el un trmino s tiene que ver con el otro. Para lograr observar este fenmeno, se muestra y explica lo que se da en el caso de contar con una armadura dotada de una sola espira, tal como se expone en el grfico: Figura 1.11 Bobina de una sola espira conduciendo corriente en un campo magntico Si se tratara de una bobina de una sola espira, que sea capaz de girar dentro de un campo magntico, entonces se desarrolla unafuerza perpendicular en el lado izquierdodelabobina,yunamagnituddefuerzaexactamenteigualaunquede sentido contrario a la anterior del lado derecho de la espira, de esta manera, estas dosfuerzas,combinadasconlasdistanciasquelasseparandelcentrode rotacin, producen un giro de la espira en el sentido de las manecillas del reloj y alrededor del centro de rotacin. Porotrolado,podemosaadirquesedefineeltorquecomolatendenciadeun acoplamiento mecnico (de una fuerza y su distancia al eje de rotacin) a producir ungiro.Recordandoloestudiadoennivelesbsicos,sedefineprincipalmente como una fuerza por una distancia, especialmente en el sistema internacional en newtons metro. 27 Un detalle digno de ser mencionado es la necesidad de obtener una conmutacin para de esta manera lograr invertir la corriente en un conductor cuando se mueve bajounpolodepolaridadinvertida,debidoaquelosconductoresquese encuentranenlaregininterpolar,esdecirexactamenteenlapartecentralque separa los dos polos norte y sur, no son capaces de generar ningn torque til, y los conductores que estn conmutando pierden poco torque. Pero por supuesto, lo anterior es aplicable a este caso particular en que la regin interpolaresdeuntamaoconsiderable,locualenelcamponoseencontrar, sobre todo cuando se est tratando con motores para uso industrial en los que el porcentajedearmadura(orotor)quenoseencuentresumergidodentrodel campomagnticogeneradoseaverdaderamentepequea,poresto,paratener en cuenta este detalle y aunarlo con los anteriores, al momento de encontrar una expresin del torque desarrollado por un motor, se tiene la expresin matemtica que se describe a continuacin: T= B Ia L Z rx %S.A. a. Que es la ecuacin utilizada para cuantificar el torque generado por un motor de corrientecontnua,endondeBesladensidaddeflujoentestlasoweberpor metrocuadrado,Iaeslacorrientedearmadura,Leslalongitudactiva,esdecir sumergida dentro del campo magntico de conductor en metros, Z es el nmero de conductores activos de la armadura, r es la distancia radial al eje de rotacin, dada en metros, a es el nmero de trayectorias en el devanado de armadura, que depende de que sea imbricado u ondulado, y por ltimo %S.A. es el porcentaje de superficiedearmaduraquecubrenlospolosyporlotantoseencuentrabajola influencia de las lneas de flujo magntico. Debeanotarseciertosdetallesalahoradeencontrarliteraturareferentealos motoreselctricos,entreloscualessepuedeanotarlossiguientes:Eltorque electromagntico que se describi anteriormente ayuda a la rotacin o est en la mismadireccindesta.Otrodetallequedebetenerseencuentaesqueel 28 torqueesunafuncindelflujoydelacorrientedearmadura,porlotantoes independientedelavelocidaddeunmotor,lavelocidadsdependedeltorque, pero no al revs, por esto no pueden usarse torque y velocidad como sinnimos, porquesisebloqueaelrotordeunmotor,lavelocidaddesapareceperoexiste torque para poder detenerlo. Eltorquedesarrolladoseoriginaenlosconductoresdelaarmadura,esdecir internamente,perodebetenerseencuentaquenoesequivalentealtorque disponible en el eje, ya que una parte del desarrollado es ligeramente mayor al del ejedebidoaquealgodeldesarrolladodisminuyeporrazndelaexistenciade prdidasrotacionalesespecficasdebidasalosrodamientosyseconsumenen los mismos. 1.3.2. FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ Este fenmeno debe tenerse muy en cuenta, ya que tiene mucha importancia a la horadeponerenfuncionamientoelmecanismo.Pararesumirlodeunamanera sencillasepuededecirquelafuerzacontraelectromotrizdeunmotorseda debido a que tal como en un generador aparecen tanto el efecto generador como elefectomotor,tambincuandosetrabajaconunmotoraparecen simultneamentetantoelefectomotorcomoelefectogenerador,esdecir,se tiene que se aplican tanto la regla de la mano derecha como la regla de la mano izquierda, y recordando un poco la ecuacin que se haba anotado anteriormente tenemos: EC = Va IaRa Dondesepuedeapreciarquelosprincipaleslimitantesdelacorrientede armadura son en primer lugar la resistencia de la armadura, y en segundo lugar la fuerza contraelectromotriz. Resultasencillocaerencuentaquelafuerzacontraelectromotrizdelmotoren ningnmomentopuedeigualarsealvoltajeaplicadoalosterminalesdelmotor, porque la direccin en la que viaja la corriente determina la direccin de rotacin, 29 y que es precisamente sta rotacin la que crea la fuerza contraelectromotriz. Por esto, para poder limitar la magnitud de la corriente que pasa por los conductores delbobinadodearmaduraelmotorcuentaconlafuerzacontraelectromotriz primeramente y en segundo lugar la resistencia de armadura junto con la cada de voltaje debida a las escobillas. Si se incluye la fuerza contraelectromotriz de un motor, a mas la cada de voltaje en las escobillas simbolizado por CE se tiene: Ec = Va (IaRa + CE) Yconociendoquelavelocidad deunmotor estambin una funcindela fuerza contraelectromotriz segn la expresin que sigue: Ec = K Sabiendo que es el flujo en webers, es la velocidad del motor en radianes por segundo,Keslarepresentacindelosfactoresquesemantienenconstantes dentro del motor, como son: la longitud activa de cada conductor de armadura, el nmerodeconductoresdearmadura,ladistanciaradialalejederotacin,el nmero de trayectorias en el devanado de armadura, y el porcentaje de superficie de la armadura que est sumergido dentro del campo magntico. Entonces,alcombinarlasdosecuaciones anteriores,sepuede escribirunasola ecuacin en la que se expresen ambas simultneamente tal como sigue: . = Va ( IaRa + CE ) k Es a esta ecuacin a la que se llama la ecuacin fundamental de la velocidad del motordecorrientecontnua,porquepermitepredecireldesempeodeestos motores. 30 Por ejemplo, si disminuyera el flujo magntico, el motor se desbocar, es decir se embalardebidoaperderelflujodecampo,porquesieldenominadordela ecuacin tiende a cero, la velocidad de motor tiende al infinito. Si no cambiara la corriente de armadura ni el flujo magntico de campo, pero se aumenta el voltaje aplicadoalosterminalesdelaarmadura,aumentarlavelocidadenlamisma proporcin. Por otro lado si se mantienen constantes el flujo magntico y el voltaje dearmadura,peroseaumentalacorrientedebidoaquesehaincrementadola cargaporejemplo,lavelocidaddelmotordisminuiraligualquelafuerza contraelectromotriz. 1.3.3. POTENCIA DESARROLLADA Por todo lo que se ha dicho antes, es realmente sencillo notar que a plena carga, la fuerza contraelectromotriz es menor que la electromotriz si la carga fuera menor que la plena, y dependiendo del tamao del motor puede ser del 80% del voltaje de armadura en motores pequeos, llegando hasta el 95% en motores grandes. Si se lograra determinar la relacin que hay entre la fuerza contraelectromotrizy el voltaje de armadura, podramos tambin la potencia mecnica que desarrolla la armadura. Sabemos, por tanto, que la cada de voltaje en la armadura se puede escribir: Ia Ra = Va Ec Pero si a ambos lados de esta ecuacin se multiplica por Ia debido a que estamos conectandoelmotoralafuentedevoltaje,ydespejandoEcIa,obtendremoslo siguiente: Ec Ia = VaIa IaRa Siseanalizalaecuacinanterior,decimosquealsuministrarVaIaalmotor,una partedeestaenergasuministradasepierdeenalgunasdelaspartescomola resistenciadelbobinadodelaarmadura,astaprecisamenteselellamala prdidadebidaalcobredelaarmaduraIaRaosea,cuadradodelacorrientede 31 armaduramultiplicadaporlaresistenciadelbobinadodelmotor,setieneuna potenciaconstanteEcIaqueeslaquenecesitalaarmaduraparaproduccinde torque desarrollado o interno. Paraobtenerlarelacinentrepotenciadesarrolladaypotenciasuministradaal motor se escribe como sigue: Potencia desarrollada=EcIa Potencia suministrada VaIa. Pero como a ambos lados de esta expresin se tiene la corriente de armadura Ia, entonces nuestra ecuacin puede fcilmente reducirse a: Potencia desarrollada=Ec Potencia suministrada=Va. Porloqueahorayasetienelaexpresinqueayudaraidentificarculserael funcionamientomsptimoposibleparamotores,porquemientrasmayoresel porcentajedefuerzacontraelectromotrizconrespectoalvoltajeatravsdela armadura, mayor ser la eficiencia del motor. Entonces puede resumirse que si aumenta la corriente de armadura y el torque de cargadelmotor,entoncesdisminuyelafuerzacontraelectromotriz,disminuyela velocidad, y aumenta la potencia desarrollada por la armadura del motor. Mientras que si disminuye la corriente de campo y por lo tanto el flujo de campo generado por esta fuerza magnetomotriz, esto se traduce en un aumento de velocidad. Cuando se trabaja con motores derivacin (tambin llamados como shunt omotoresparalelo)sedebetenercuidadodenuncadejarsinalimentacinde corrientedecampo,locualocasionaraundesbocamiento(oembalamiento)del motorysteseautodestruiraporlafuerzacentrfugaquesegenerara desalojandodelasranurasdelrotoralbobinadodelmismo,perosetrabaja siempre, primero, con conductores limitados en cuanto a su corriente en lo que se refierealmotor,segundo,lasproteccionesdelosmismosactanevitandomuy 32 altacorrientequepodradestruirlosconductoresdelmotor,ylafuentede contnua es limitada, e incapaz de suministrar corriente infinita. Enlosmotoresserie,lascorrientesdearmaduraydelcampoenseriesonlas mismas, por lo que el flujo producido por el campo es proporcional a la corriente Ia dearmadura.Y,yaqueelflujoesfuncindelacorrientedearmadura,la ecuacin que describe el comportamiento del torque quedara: T = KIa Y por otro lado, debe observarse la siguiente grfica, que es la representacin del torque en funcin o versus la corriente de armadura: Figura 1.12 Figura que muestra la comparacin entre el torque del motor y la corriente de armadura en los motores de corriente contnua Dondesehacolocadounacomparacincualitativaentrelosdiferentestiposde motoresdecorrientecontnuacomerciales,ydondesepuedeobservarel comportamiento del torque en funcin de la corriente de armadura. 33 Usando la definicin de saturacin del hierro, lo cual significa que llega un punto en el que no importa cunto ms aumente la corriente que excita la magnetizacin deunncleodehierro,losdominiosmagnticosdeestencleonopueden orientarse ms de lo que la corriente de saturacin lo hicieron. Yesprecisamenteestacorrientelaqueoriginaunacurvademagnetizacinen los ncleos magnticos de todas las mquinas elctricas, la cual para el caso de un motor serie origina la curva de la grfica que se presenta antes, en donde se puedeobservarquemientraselncleodelcampomagnticonosesature,es decir en la parte lineal de la curva de magnetizacin, la relacin entre el torque del motor y la corriente de armadura es exponencial, se debe notar que para el caso deunmotorserie,cuandotrabajaaplenacarga,eltorquequedesarrollaen comparacin con un motor shunt o paralelo es bastante mayor segn muestra la ecuacin includa en la propia figura, ya que el torque es una relacin que trabaja con el cuadrado de la corriente en el caso de un motor serie. 1.3.4. CARACTERSTICAS DEL MOTOR Para el caso del motor utilizado, se tienen las siguientes caractersticas: STYLE AC- DC 100 120 volts 0 60 cycles 200 watts N.C.R. fuse 3 amps N.C.R. Co. DAYTON OHIO Que son datos que se han tomado de la placa del motor, de lo que se desprende que es un motor que puede trabajar en el rango comprendido entre los 100 a los 120voltiostantodecorrientealternacomodecorrientecontinua,encasode trabajar con corriente alterna, puede hacerlo hasta 60 ciclos, su potencia de salida 34 esde200vatios,lacirculacindecorrienteenfuncionamientonormalesde3 amperios, fabricado en la casa DAYTON, estado de OHIO, Estados Unidos. 1.4. BREVE DESCRIPCIN DE LOS ELEMENTOS UTILIZADOS 1.4.1. RESISTENCIAS Se define brevemente a una resistencia elctrica como la caracterstica de ciertos dispositivoselctricosyelectrnicosquetienendedificultarelpasodecorriente elctrica, esta caracterstica se mide en ohmios, es directamente proporcional a la longituddeunconductoreinversamenteproporcionalasuseccinyasu resistencia especfica o resistividad. Para el mdulo didctico se ha utilizado principalmente seis resistencias, es decir resistencias de seis magnitudes, la primera de ellas, en la etapa de censado para cruceporcero,unaresistenciadepotenciadeciertogradodedisipacin,de5 vatios,10kiloohmios,cuyofuncionamientoenelcircuitoseexplicarms adelante. Figura 1.13 Resistencia utilizada para el sensor de cruce por cero Lasegundadeellasesutilizadaparaactivarlasentradasdelosprticos programados para trabajar con bajas activas del microcontrolador, su magnitud es de 4700 ohmios, conectadas como se ha dicho antes entre la fuente de corriente contnua de 5 voltios y el respectivo terminal de entrada del microcontrolador. La tercera de ellas es utilizada al igual que las anteriores en ms de una ocasin principalmente para fines de sealizacin, utilizada en serie con un diodo emisor de luz entre la salida alta de 5 voltios y tierra, y su magnitud es de 330 ohmios. 35 Lacuartadelasresistenciasusadaseslaresistenciadefreno,queseha calculadomedianteladefinicindefuerzacontraelectromotrizyquetienecomo objeto el disipar el voltaje generado y su respectiva corriente remanente una vez quesehadesconectadoalmotordesufuentedealimentacinparaconseguir que ste se detenga lo ms rpidamente posible. Esta ltima resistencia ingresa al circuito cuando as se lo requiere una vez que el operador le ha dado el mando dehacerloatravsdelmicrocontroladoryelprogramaquesehacargadoenel mismo. La quinta es la resistencia de 100 ohmios, que se utiliza para poder accionar los dispositivosoptoacopladoresenlaentradamismadelpinquecorrespondeal diodo emisor, que tiene el fin de no exigir demasiada corriente al microcontrolador queeselquegeneralmenteaccionaotrosdispositivosatravsdelos optoacopladores. Lasextadelasresistenciasusadaseslaresistenciade180ohmios,lacual trabajaenconjuntoconotrodelosoptoacopladores,eloptotriacparaser especficos, y tiene el fin de detectar la presencia de voltaje en la lnea a accionar opermitirelpasodelacorrienteydeestamaneraelcruceporcerointerno instalado en el encapsulado del pequeo integrador optotriac, esto se explicar y visualizar con ms detalle ms adelante. Figura 1.14 Cuatro de las seis magnitudes de resistencias utilizadas 36 1.4.2. DIODOS Losdiodossonlosmssencillosdelosdispositivossemiconductores,peroes esencialenloscircuitoselectrnicos.Esundispositivodedosterminales, idealmentedeberaconduciropermitirelpasodelacorrienteelctricaen solamenteunsentido,actuandocomouncortocircuitoenelsentidoenque permite el paso de corriente, pero como circuito abierto cuando la corriente intenta circular en sentido contrario al permitido. Losmaterialesusadosparalosdiodossondosusualmente,elsilicioyel germanio,loscualesanteunincrementodetemperatura,disminuyensu resistencia,esdecirtienen,-adiferenciadeloselementosconductores-un coeficiente de temperatura negativo. Enelmodulosehautilizadolosdiodosalaentradamismadealimentacin,la primeradeellascomoyasemostranteriormenteseutilizacomounarreglode puente de diodos a la salida del transformador de alimentacin para proporcionar corriente continua a los circuitos lgicos digitales. La segunda de ellas es un segundo arreglo de puente de diodos que proporciona laalimentacinalmotorseriedecorrientecontinua,porloquesetratadeun puentedediodosdemayorpotenciaqueeldelafuenteanterior,yquetambin proporcionasealparaeldetectordecruceporcero.Tambinestapartese explicarconmayordetallemsadelanteypuedeserobservadaenelanexo nmero uno, en el que se muestra el circuito con su diseo final. Seutilizaigualmente undiodozener,el diodozeneresundiodo similaraldiodo semiconductor,perostetieneciertasparticularidades,por ejemplouna de ellas esquesecomercializaconundatodevoltajeadicional,ypuedeutilizarsepara estabilizar ciertas medidas de voltaje. Loanteriorsignificaquecuandosepolarizainversamenteybajociertos parmetros, puede comportarse como una pequea fuente de corriente continua, 37 ybajociertorangosecomportacomoundiodocomn,consurespectivo impedimento al paso de la corriente o permitindola si se lo polariza directamente. Hemosutilizadounodeestosdispositivosenlaetapadelcruceporcero,ynos sirveparapoderenviarlasealdelcruceporcerodelasealrecinrectificada del puente de diodos y reducida por la resistencia acoplada hasta el optotransistor queenvalasealbajaactivaconlaqueelmicrocontroladortrabajaparapoder hacercorrereltiempoderetrasoconquedispararlossemiconductoresque alimentan la carga. Tambinsehadotadodeciertonmerodediodossemiconductoresconectados enparaleloconlasbobinasdelosrelevadoresdelpuenteHdeinversinde polaridaddelaarmaduradelmotorparaprotegerdecontracorrientesque pudieranaveriarseriamentealmicrocontrolador,yaqueelaccionamientodelos mismos no es optoacoplado, ya que los optoacopladores optotransistores no son capacesdetrabajarconlacantidaddecorrientequeserequiereparael accionamiento de las bobinas. Loanteriortambinsedetallarmsadelantejuntoconelgrficoqueseha aadido en el primer anexo y ciertas otras especificaciones que se muestran en el anexo4dondeseencuentranlascaractersticasdealgunosdelosdispositivos que hemos empleado. Figura 1.15 Diodos utilizados: diodos semiconductor; emisor de luz , zener 38 1.4.3. OPTOACOPLADORES Losoptoaisladoresuoptoacopladoressonotrosdelosdispositivosquesehan utilizado para el funcionamiento del mdulo. Unoptoacopladoresundispositivoqueincorporamuchascaractersticasque resultan prcticas, sobretodo a la hora de trabajar con circuitos incluyen una etapa de control junto con una de potencia. Losoptoacopladoressonpequeosdispositivosquecontienenencapsuladoun diodoemisordeluzinfrarrojayunfotodetectordesilicioquepuedeserun transistor, en el cual el diodo infrarrojo acta como base adems de la que viene aadidaenelmismoencapsulado.Otraopcinesqueenlugardetenerun transistor se tenga un SCR, o inclusive un TRIAC, lo cual sucede en este caso. Paraestecasosehautilizadodosoptoacopladores,elprimerodeellosesel dispositivo A 4N35, que corresponde a un optotransistor u optoTBJ, el cual tiene internamente la disposicin de pines que se bosqueja a continuacin: Figura 1.16 Diagrama de pines del optotransistor A 4N35 EloptotransistorA4N35funcionaenelmomentoenquesehainyectadouna corrientereducidaproductodeunvoltajede5vatravsdeunaresistenciaen serie con el nodo, de 100 ohmios, tal como se haba dicho anteriormente, y esto 39 permite que la corriente del colector circule a partir del mismo en el pin 5 hasta el emisor del pin 4. Es digno de ser tomado en cuenta que el pin 6 del encapsulado posee otra base, perostaespropiadeltransistor,ypuedetrabajarexactamentedelamisma manera en que lo hace el diodo emisor ubicado entre los pines 1 y 2. El segundo de los optoacopladores empleado es el difundido MOC 3010, en cuyo encapsuladoseha empaquetadoeldiodo emisorinfrarrojoantesmencionadoy un TRIAC junto a un pequeo circuito detector de cruce por cero. ElTRIACseaccionaenelmomentoenqueelemisorestencendido,esdecir cuandose ha enviadounaseal de5voltiosa travsdeunaresistenciade100 ohmiosquesemencionantes,ysepuedepermitirelpasodecorrientealterna desde el nodo 2 al nodo 1 y viceversa, es decir el paso de corriente alterna, ya que precisamente para esto ha sido diseado este circuito. La distribucin de pines de este dispositivo se muestra a continuacin: Figura 1.17 Diagrama circuital del MOC 3010 optoTRIAC para120 voltios Porsupuestoquetal comosehamencionado antesyoportunamente,elusode estepequeooptoacopladorselogramedianteunpequeoarreglo,enotras palabras, ste dispositivo no puede de ninguna manera trabajar solo con equipos de120voltiosdirectamente,elTRIACconquevieneequipadosirvesolamente para poder disparar un TRIAC externo, el cual si puede trabajar en promedio con 40 un mximo de 10 amperios continuamente si se le ha equipado con la ventilacin mnimarequerida.ElarregloparalosdisparosdelosTRIACSexternosse detallarmsadelante,serecomiendatambinrevisarelanexo3,enelquese ha presentado el datasheet del MOC 3010. 1.4.4. REGULADORES DE VOLTAJE Hablaremosbrevementedealgunosdetallesacercadelreguladordevoltaje usado en el mdulo didctico. Elreguladordevoltajeesuncircuitointegradodetresterminales.Estetipode reguladoresmuyutilizado,internamentetienelacircuiteradelafuentede referencia,unamplificadorcomparador,undispositivodecontrolylaproteccin de sobrecarga.Ofrece una regulacin de voltaje positivo, porque los hay tambin de negativo fijo o voltaje regulable. Este tipo de reguladores, tal como el usado 7805, tiene un voltaje de entrada sin regularaplicadoaunaterminaldeentrada,unvoltajedesalidareguladoyun tercer terminal conectado a tierra. Lafamiliadereguladoresdevoltaje78puedentrabajardesde5a25voltios,su utilizacin ya se bosquej en parte cuando se habl acerca de la rectificacin de voltajeACDCenlasprimeraspartesdeestedocumento,dondepuede verificarse que ingresa un voltaje no regulado en el primer terminal del dispositivo, elsegundoeselterminal detierracomntantoparaelcircuitode12voltiosde contnuacomoparaelde5voltiosdesalidacontnuareguladaquese proporciona a partir del terminaltres del integrado regulador: Figura 1.18 Regulador de Voltaje de circuito integrado 7805 41 Tambinsehautilizadounreguladordevoltaje7812parapoderalimentarlas bobinas de ciertos relevadores que requieren este tipo de voltaje para accionarse. Su implementacin se logra de la misma manera que se muestra en la figura 18 con regulador de voltaje de 5 voltios, pero lgicamente su salida es del orden de los 12 voltios de corriente continua. 1.4.5. TRIAC Talcomosehabadichoelmomentodelapropuestadeltrabajo,seusarn semiconductores en lugar de los tradicionales restatos para optimizar la corriente utilizada,nidesperdiciarlatanpreciadaenerga,poresto,setrabajaconlos triacs, para poder ajustar el ngulo de disparo y por lo tanto la cantidad de energa suministrada. Lostriacssondispositivosconposibilidaddecontroldepasodecorriente bilateral,o,dichodeotramanera,encualquieradelasdosdirecciones, especialmente adecuado para corriente alterna. Enelmdulodidcticosehatrabajadocontriacsparaladosificacindela corrienteentregada,porsupuesto,susdisparosdependenenprimerlugardel usuario y la cantidad de potencia que este requiera entregar a la carga, la cual se controlarpormediodelprogramacargadoenelmicrocontrolador,elcuala travs de los optotriacs disparar a los triacs propiamente dichos, aislando as el delicado control digital de la riesgosa etapa de potencia. Como ya se ha mencionado anteriormente, se ha tenido que investigar cul es la correctadisposicindetrabajoenlaquetienenqueconfigurarseelTRIAC conjuntamente con el optotriac, pero estos detalles se indican oportunamente ms adelante, cuando se hable acerca del hardware del mdulo y la disposicin de los elementos. 42 1.4.6. RELEVADORES Sehautilizadorelevadores,tambinllamadosrels,larazndehacerloes precisamente porque con el diseo del mdulo didctico se ha logrado el objetivo principaldeevitareldesperdiciodeenergaalquesellegacuandoseusa arrancadores a base de restatos que desperdician la energa a la hora de variar elvoltajedealimentacindelmotor,peroparaestecaso,altrabajarconuna carganomuyrepresentativaosicabederrochadora,esevidentelanecesidad de dotar al equipo de este pequeo arreglo ya que en esta parte en que se utiliza un relevador que es la de inversin de giro, prcticamente no existe mejor manera de asegurar que no vaya a haber ningn tipo de inconveniente en lo relacionado con el accidental accionamiento de uno u otro par de contactos. Los rels usados no son un significativo sinnimo de prdida de energa, y no se losreemplazconunpuenteHdetriacsyaqueparaestecasolosrelsson mssegurosyaque,osolamentepermitenlaunapolaridadolaotraeincluso ninguna,perojamspermitirndosalavez,locualpuedeserpeligrosoal convertirseencortocircuitofrancoquedaaratodalainstalacinnoaislada aunque s protegida. Porotrolado,elusodepuentesdeinversindepolaridadconsemiconductores requieren de cuidados bastante significativos desde su misma etapa de diseo, lo cualparalaprogramacindelmicrocontroladornorepresentaningntipode dificultad, porque de hecho se intent elaborar este paso en un pequeo prototipo anterior,perolaparticularidaddequenoesposibletrabajarconSCRsque permitan ser optoaislados puede convertirse en un real inconveniente. Sehausadoporestorelsdebobinasde12voltios,cuyoscontactosson capaces de trabajar con 10 amperios tanto para la inversin de giro como para la conexin del circuito de frenado dinmico a travs de la resistencia de freno que ha sido convenientemente instalada. 43 1.4.7. TRANSISTORES La cantidad de literatura existente en lo referente al transistor bipolar de juntura es realmentesorprendente,entodaslasfuentesbibliogrficasessencillo encontrarseconmuchainformacin,perosiendoestaunatesisdedicadaalos automatismos,lacaractersticamssobresalientedeestedispositivoquese aprovechar es la de interruptor. Bajoestacaracterstica,enelmomentodeadministrarleunacorrientealabase de un transistor bipolar de juntura (TBJ), la cual puede deberse precisamente a un voltaje pequeo, como los 5 voltios del microcontrolador por ejemplo, y que pase atravsdeunaresistenciade4700ohmiosqueimpidaqueelmicrocontrolador seaexageradamenteexigido,selograconduccindesdeelcolectorhastael emisor,locualfcilmentepuedeayudaralahoradeaccionardispositivos pequeos de corriente continua como lo son los rels. Estaconfiguracinsemuestratambinmsadelante,enlaqueseaprovecha esta especial caracterstica del TBJ, adems de en el anexo 1. Figura 1.19 Transistor Bipolar de Juntura(TBJ) 1.4.8. TRANSFORMADORES Un transformador es un dispositivo electromagntico de conversin de energa, el cualtrabajadeacuerdoalprincipiodelainductanciamutuaentredosoms 44 bobinas o circuitos acoplados magnticamente, ms no fsicamente, es decir, no hay conduccin elctrica entre ellos. Como puede verse en la figura que se muestra en las lneas inferiores, al primer bobinado,llamadoprimario,sealimentaconvoltajealterno.Elprimariorecibe energa de la fuente de corriente alterna. Se produce un acoplamiento magntico entre los dos circuitos y se transfiere energa desde el circuito 1 al circuito 2. Si las dos bobinas o circuitos se devanan sobre un ncleo comn de hierro, se produce unacoplamientofuerte,locualsignificaquecasitodalaenergaquerecibeel primario desde la fuente se transfiere por accin del transformador al secundario. Sueletambinutilizarselaconvencindelpunto,elcualrepresentaelpositivo instantneo en se terminal de la bobina. Igualmente el punto colocado en la otra bobina(delsecundarioocircuitoquerecibelaenerga),representatambinel positivo instantneo que se genera gracias al flujo magntico. Por otro lado, el flujo magntico que enlaza a las dos bobinas, no toma en cuenta al flujo que se fuga de la bobina 1 y el de fuga de la bobina 2. TambinsedefineaMcomolainductanciamutua(queesunamedidade acoplamiento magntico) entre dos bobinas o circuitos, que se produce por el flujo mutuo, del cual se trat anteriormente. L1 y L2 son, respectivamente las inductancias del circuito primario y la inductancia del secundario, ambas medidas en henrios. 45 Figura 1.20 Algunos de los smbolos que se utilizan en los transformadores con ncleo de hierro Unavezqueseconocestostrminos,sepuededefinirelcoeficientede acoplamiento (k) entre las dos bobinas como una relacin del flujo mutuo al flujo total: k = . m . = . M . m + 1 2 * 1 L L Casitodoslostransformadoresdeacoplamientodbil(conncleodeaire,por ejemplo),seutilizanencircuitosdecomunicacindealtafrecuencia.Sin embargo,prcticamentetodoslostransformadoresqueseusanenpotenciay maquinariacomoesennuestrocasosondeacoplamientofuerteconncleode chapas de hierro. Por esto, si los circuitos tienen un acoplamiento fuerte, y los flujos de fuga 1 y 2 sonmuypequeosorelativamentedespreciablessiloscomparamosconm, entonces,lainductanciamutuaMentrelasdosbobinasesgrande,ylaenerga total del primario es prcticamente la misma del secundario. Por esto, cuando se disea transformadores, lo ideal es alcanzar un coeficiente de acoplamiento igual a la unidad (k = 1), hasta que M =2 * 1 L L el cual es el caso de un transformador ideal. 46 Lasrelacionesprincipalesquesetratanenuntransformadoridealsonlas siguientes: a=21NN=21EE=21VV=12II Lascuales,porsupuesto,secumplenencasodeuntransformadorideal,en donde a representa la relacin de transformacin, la cual se puede determinar con el nmero de vueltas del primario (N1) dividido para el nmero de vueltas del secundario(N2)ovoltajeaplicadoenelprimario(V1)divididoparaelvoltaje generadoenelsecundario(V2),ocorrientedelsecundario(I2)divididopara corriente del primario (I1). Consideracin que, como se dijo antes, se hacen para eltransformadorideal,esdecir,quelaenergantegradelprimariosetransfiere sinningunaprdidahastaelsecundario,sinprdidasdeflujomagnticode ningn tipo. Paraestecasosehautilizadountransformador,queestinstaladopara proporcionar la alimentacin del circuito digital (vase la figura 3) y tambin para la alimentacin de los rels. Es un transformador de 110 voltios de entrada y secundario de 12 v , 0 v , 12 v, es decir,untransformadordetapcentral.stelgicamentetambinlograaislarde manera efectiva el circuito de control de la toma de fuerza. 1.4.9. CONDENSADORES Loscondensadoresocapacitoressondispositivoselctricosquemedianteel arreglo de dos placas o superficies enfrentadas mantienen el voltaje almacenando energa en forma de campo elctrico. Estn emplazados en nuestro proyecto en varios sitios, el primero de ellos, es un capacitorelectrolticode2200microfaradios,instaladoalasalidadelarreglode 47 diodosdeltransformadordetapcentral,quetrabajacomofiltroparamantener constante el voltaje a la salida del rectificador de onda completa. Otrosdeellosestnalassalidasdelreguladordevoltajede5voltios,son capacitores cermicos de 0.01 microfaradios, que contribuyen a la eliminacin de cualquier tipo de oscilacin de stas seales de voltaje. 1.4.10. PULSADORES Lospulsadoressonelementoselectromecnicosqueayudanaproporcionarla orden a ser recibida por el microcontrolador, tiene como misin el abrir o cerrar un circuito elctrico permitiendo o no la circulacin de corriente. Tambin se han usado en el mdulo. Estn colocados en el prtico de entrada del microcontrolador(enlamayoradelosterminalesdelprticoa),ysuactivacin comanda el accionamiento de marcha o paro, el sentido de giro, o las velocidades del motor, sumando en total seis pulsadores. 48 FOTOGRAFIAS DEL MODULOS DE PRUEBA. a)Calibrando el voltaje de salida, circuito de control armado en el Project board y el circuito de fuerza en una base de madera b)Acercamiento del circuito de control, se est probando las salidas a relevadores con diodos emisores de luz c)Acercamiento del motor adosado a la base de pruebas con su bornera provisional 49 d)Vista superior del tablero de prueba provisional, desde arriba se observa el puente de diodos, los disipadores con TRIACs, el fusible, la resistencia de freno, relevadores y, finalmente el motor con su bornera e)Detalle de los reguladores de voltaje 7405 y 7412 con sus capacitores. f)Detalle del transformador 50 g)TRIACs adosados a dos disipadores en el tablero de prueba para calibracin 51 CAPTULO 2 DISEO DEL MDULO 52 CAPTULO 2 2.DISEO DEL MDULO INTRODUCCIN Alahoradehablardelmdulodecontrol,seiniciartomandoenconsideracin ciertosfactoresquenodebenperdersedevistacomolosonporejemplolas caractersticaspropiasdelmotorquesedebencontrolaryrespetarlos requerimientos del mismo. Por supuesto debe recordarse que este trabajo es en esencia experimental, razn por la cual desde un principio se lo ha citado como un mdulo didctico, que tiene como primer objetivo el demostrar una sencilla aplicacin prctica de la teora que seharevisadoantes quedesarrollarunaaplicacinindustrialcomercializableen este primer intento. Antesdepoderdesarrollarestetrabajosehainvestigadoloqueelmercado ofreceencuantoaestetipodemdulos,locualpermitecaerencuentadel alcancedealgunosdeellos,detalmaneraquesepuedeafirmarquenuestro trabajo es bastante aceptable y cercano a la clase de oferta que se comercializa en lo referente a estos productos. Uno de ellos, el cual se investig previamente en la Internet, es el Ingenia Motion DriverIMD260,uncontroladordigitalparamotoresconosinescobillas,que puedetrabajaronoconlazocerrado,condiferentesmodosdecontrolpor corriente,voltajeoposicin,proteccionesprogramablesparasobrecorrientes, sobrevoltajes,temperaturasmuyaltas,inclusoparavoltajespordebajodelos esperados,permitecontrolardemodoanalgicoodigital,elvoltajemximode salidaesde50voltios,a5amperiosdecorrientecontinuayposeetresleds indicadores de la funcin que se est efectuando, modulo de control industrial que enlaredseestvendiendoenlapginadelaempresaIMDa38dlares aproximadamente cada unidad. Se lo muestra en la figura adjunta: 53 Figura 2.1 Controlador de motores de la fbrica IMD OtrosmodelosdesimilarescaractersticassevendenenlaInternetconprecios que oscilan entre los 23 y 35 dlares la unidad. Comopuedeverseconclaridad,estetrabajoencomparacinconaquellos aunque nopalidece deltodoyaqueseesttrabajandocon mayoresvoltajesde alimentacin que los de los mdulos industriales, y aunque sus gamas de control ssonsuperioresalasdelprototipo,estebienpuedeservircomounaprctica baseapartirdelacualenunfuturo,otrosestudiantesdelaPolitcnicapuedan profundizar este tema para desarrollarlo de un modo algo mas industrial, e incluso sepudieraconsiderarlaposibilidaddecontrolarmayorespotenciascambiando ciertosdispositivoscomolosTRIACs,conloquesuversatilidadserarealmente importante. En lo referente a este segundo captulo, se ha decidido dividirlo en dos partes, la primeradeellasestdedicadantegramenteahablaracercadelhardwaredel mdulo, en el cual se darn algunos detalles referentes a la etapa de entradas de sealqueelmicrocontroladorprocesar,esdecirloscomandosquerequiereel operario y las seales de cruce por cero, pasando luego a hablar de la disposicin fsicadelacualsehadotadoalmicrocontroladorespecificandoculesdesus 54 terminales son entradas y cules salidas, cmo se activan, qu activan y cmo lo hacen,tratando tambintpicosacercadelasealizacinquetienenlassalidas juntamenteconlosactuadoresquesernactivadosporlassalidasdel microcontrolador. Lasegundapartehablaacercadelsoftwarequesehaempleadoenla construccindelmdulo,lospaquetescomputacionalesutilizados,la especificacindealgunasdesusprincipalescaractersticas,potencialidadesy comandosmnimosnecesariosparapodertrabajarconsulenguajede programacin. 2.1. EL HARDWARE DEL MDULO Estaprimerapartetratardecadaunadelastresprincipalespartesque componenelmdulodidctico,iniciandoconlasentradasqueproporcionan informacin al microcontrolador, entre las cuales est el sensor de cruce por cero, luego se hablar brevemente de los terminales asignados del microcontrolador, y por ltimo el funcionamiento de los actuadores y sus respectivos sealizadores. 2.1.1. ENTRADAS Se ha escogido el sencillo nombre de entradas para esta parte porque se trata de proporcionar la ms cercana idea de los temas que en esta parte se desea tratar, alavezdequetermineenglobandolostiposdesealqueseaplicaal microcontrolador. Enloqueserefierealasentradasdelmicrocontrolador,sondedostipos principalmente,porunladosetienelasnormalesqueleestndiciendoal microcontrolador si el usuario requiere un tipo de giro o el otro, o necesita detener el motor o cambiar de velocidad. Estasentradasutilizanunpulsadorsencilloyunaresistenciade4700ohmios conectadaentreelterminaldeentradadelmicrocontroladorycincovoltiosdela 55 seal uno lgico, y el pulsador entre el mismo terminal del microcontrolador y cero voltios,esdecir,seestaplicandolatcnicadelasbajasactivaspara proporcionar informacin al microcontrolador, y se repite esta configuracin para: paradaofreno,activargirohorario,activargiroantihorario,velocidadbaja, velocidad media y velocidad alta. Estetipodeconfiguracinquesemuestraenpalabrasserepresenta grficamente por medio del grfico a continuacin: Figura 2.2 Entradas del microcontrolador con configuracin de bajas activas El funcionamiento de este tipo de entradas es bastante sencillo, mientras no est presionadoelpulsador,elunolgicoprovenientedelafuenteseaplicaporla resistencia hasta el terminal del microcontrolador, pero en el momento en que el usuario ha presionado el pulsador, el circuito se cierra dirigiendo la corriente de la fuenteatravsdelaresistenciahastaelterminalnegativodelamisma,pero ingresando el valor de cero voltios al terminal del microcontrolador, lo cual ya sirve para iniciar su trabajo, ya que internamente el programa con que se le ha dotado al microcontrolador est preparado para trabajar con bajas activas, ya que se ha comprobadoqueeslamaneramsseguradelograrqueelmicrocontroladoro cualquierotrotipodecircuitointegradologrerecibircorrectamentelasealde entrada, interpretarla y procesarla adecuadamente. Elsegundotipodeentradaquesehautilizadoeselsensordecruceporcero, paraelcualsehadiseadounodiferentedelosquesesuelenencontraren 56 fuentesbibliogrficasyquenecesitanparasufuncionamientounamplificador operacional. Loquesehahechoesdisminuirlasealdeentradayenviarlaporun optoacoplador hacia el microcontrolador, para esto se ha usado la resistencia de 10kiloohmios5vatiosenserieconundiodozenerde4.9voltiosalasalidadel puentedediodos,yentrelaresistenciade10kiloohmiosyelctododeldiodo zenersehacolocadounaresistenciaquealimentauncircuitointegrado optotransistor. Todavezquesehallegadohastaeloptotransistorenelterminal1desu encapsulado, se ha conectado el negativo del puente de diodos con el nodo del diodo zener, y desde el optotransistor en el terminal cinco una resistencia de 4700 ohmiosconelextremodelterminaldeloptotransistor,enelladolibredela resistencia a 1 lgico. En el mismo terminal cinco del optotransistor unido a la resistencia se conecta con elprticodeentradapreviamenteprogramadodelmicrocontrolador,yporel terminalcuatrodeloptotransistoratierraparacerrarelcircuitodebajasactivas que dar las seales de cruce por cero con las que trabajar el PIC. Todolomencionadoanteriormentesehaplasmadoenlomostradoenlafigura siguiente: Figura 2.3 Circuito sensor de cruce por cero optoacoplado que da la seal al microcontrolador 57 Su funcionamiento es como sigue: Comosehadicho,setomalaenergadesdeelarreglodelpuentedediodos, obteniendo 110 voltios en corriente contnua, y con la ayuda de la resistencia de 5 vatios, se reduce este voltaje a 5 voltios, aprovechando la caracterstica propia del diodo zener, y esta seal pequea de voltaje que dicho sea de paso solamente se da cuando la onda de voltaje es de la magnitud necesaria, enviamos la pequea corriente,solamentelaqueescapazdesoportareloptotransistor,de20 miliamperios a travs de la resistencia de 100 ohmios accionando el diodo emisor encapsuladoenelintegradoypermitiendodeestemodoelpasodecorriente desdela fuentea travsdelaresistenciade4700ohmios,elterminalcincodel optotransistor,esdecirelcolectordeltransistorhastaelemisordelmismoenel terminalnmerocuatrodelintegrado,conloqueselograenviarlasealbaja activa desde el optotransistor hasta el microcontrolador solamente en el momento enquelaondadevoltajede110voltioseslosuficientementealtacomopara sealarenelmicrocontroladorelcomienzodelretrazoparaeldisparodelos TRIACs. Internamentetambinsehadotadoalprogramadelmicrocontroladorparaque interpreteytrabajeconsealesbajasactivas.Msadelantesedetallarhacia quterminalesdelmicrocontroladorsetransmitenlassealestantodecontrol como del sensor de cruce por cero y cul de ellas no se utiliza. Se utiliza el optotransistor porque brinda la seguridad de que a pesar de cualquier falla o conexin errada que pudiera darse en el lado de potencia del circuito, ste deningunamanerasercapazdeaveriareldelicadomicrocontroladoroel programacargadoenelmismoporlorelativamentecomplicadoquepudiera resultarelvolveracolocaroprogramarestedispositivo,elcualsinosetieneel cuidadonecesario,solamenteconminsculasdescargaselectrostticaspuede verseperjudicado,locualafectporlomenosendosocasionesduranteel desarrollo, debido a no tener en cuenta las precauciones del caso. 58 2.1.2. SALIDAS A LOS ACTUADORES Y SEALIZACIN Lassalidasimplementadasseinicianenlospinesdelmicrocontrolador designados previamente en el programa como tales, y tienen como fin el activar o desactivarloselementosactuadoressegnlosrequerimientosqueelusuario tenga y de acuerdo con las restricciones y la lgica que se prioriza en el programa instalado en el microcontrolador. La seal que se obtiene a la salida del microcontrolador es del tipo TTL, es decir todo el tiempo se est trabajando con una seal lgica de uno lgico y cero lgico, correspondientes a valores de cinco voltios y cero voltios, y precisamente son de stanaturalezalassealesqueseobtendrnenlospinesdesalidadel microcontrolador. A lo largo de la implementacin del mdulo, se tiene esencialmentedos tipos de salidas que se han diferenciado segn el tipo de dispositivo que deben accionar. El primer tipo de salidas son las que tienen como objetivo facilitar el disparo de los TRIACssegnelrequerimientoquesehademandado,yhayquedecirdepaso quesehautilizadoTRIACsenlugardeSCRsporqueresultamsfamiliarsu implementacin adems que para este caso particular, los disparos continuos son necesariosyaquelacorrienteescontinuapulsanterectificadasinfiltro,algo absolutamente necesario para que sea censada por el detector de cruce por cero quesehadiseado,ysuimplementacinsehadesarrolladosegnloquese muestra en el grfico a continuacin: 59 Figura 2.4 Salidas del microcontrolador capaces de controlar TRIACs Como puede observarse en la figura 2.4, se muestra uno de los tipos de salidas que se han implementado para el caso del mdulo didctico, como puede verse, esimprescindibleutilizarelintegradooptoacopladorMOC3010,porquefacilita muy grandemente los disparos desde un microcontrolador con su seal TTL hasta llegaracomandarunTRIACquemanejecorrientesrepresentativas(por supuesto,siempreycuandoeltalestadecuadamenterefrigeradooinstalado sobredisipadoresdel tamaoqueserequieraodesernecesario inclusoambas cosas, tanto disipadores como ventiladores). Losdemselementosutilizadosparalograrqueestaparteimportantefuncione comoesdeseadoson:unaresistenciade100ohmiosinstaladaalasalidadel microcontrolador y entrada del MOC 3010. Laotraresistenciaes de180 ohmios,yselacolocaentrelacargayelnodo 2 del TRIAC hasta el terminal 6 del MOC 3010, la cual no puede ser reubicada cada enotrapartedelcircuitode fuerza,yaquesehacomprobadodeformaprctica que al cambiar la configuracin a una diferente de la que se muestra en la figura 23puedenproducirseseriosdaosenelcircuitosimplementados,assepuede aislar totalmente al motor y puente H de la alimentacin y de este modo se logra conectarlaresistenciadefrenosintemerqueexistaposibilidadalgunade circulacin de corrientes tanto de la fuente como del motor mismo. 60 Enbasealaconfiguracinqueseexponeenlafigura23,sepuedecomentar brevemente ciertas caractersticas: se necesita la resistencia de 100 ohmios paraimpedirqueelMOC3010requierademasiadacorrientedelmicrocontrolador,y porotroladosetienequelaresistenciade180ohmiostrabajaamaneradeun pequeo sensor muy sencillo que detecta el incremento en la magnitud de voltaje paradeestamanerapermitirqueunapequeacantidaddecorrientesea inyectadaapartirdelsensorconresistenciade180ohmioshastalacompuerta del TRIAC mediante el terminal 4 del MOC 3010. TambinsepuedemencionarqueesprecisamenteenelMOC3010dondese alteran los disparos de la compuerta del TRIAC. En pruebas anteriores, se emita unasalidaininterrumpidadeunsealde5voltiosenunterminaldel microcontrolador, lo cual generaba una seal tambin continua de luz infrarroja en elinteriordelMOC3010yundisparocontinuoenel TRIACconunacargapara corriente alterna de 110 voltios que era un foco de 100 watios. Elmismoprocedimientoserepitiperoestavezgenerandountrendepulsos humanamente perceptible por el terminal del microcontrolador y se comprob que cuando no se emite la seal en el interior del optoacoplador MOC 3010 el foco se enciende, y cuando no se emite la seal, el foco permanece apagado. Esta caracterstica puede aprovecharse para dosificar el disparo en la compuerta del TRIAC, ya que una vez que el sensor de cruce por cero ha detectado que la seal de entrada ha cruzado por cero, se recibe la seal, la compara interiormente el programa y segn sea el requerimiento, no dispara en caso de estar frenado el motor, o retraza un largo lapso del perodo de 8333 microsegundos de la onda a frecuenciade120hertzios(yaquecomosesealanteriormente,laseal proviene de un rectificador de onda completa sin filtro), para baja velocidad o bajo voltaje. LasealparadisparodelTRIACmantienedisparandocercadelamitaddelos 8333microsegundoslacompuertaenmediavelocidadomediovoltaje,y,para altavelocidad,elsensordetectaelcruceporcero,yelprogramamandaa 61 dispararlacompuertadelTRIACtodoeltiemposinningntipoderetrazo,es decirdisparandocontinuamentealelementosemiconductorylograndola velocidad mxima mediante el voltaje mximo. Se tiene por otro lado otro tipo de salidas, las que comandan los relevadores del puenteHinstaladoparalainversindegiroylaconexindelaresistenciade freno. Este tipo desalidasdel microcontroladorsehanimplementadotalycomo muestra la figura que se muestra a continuacin: Figura 2.5 Salidas del microcontrolador capaces de controlar relevadores de 12 VDC Enlaconfiguracinquesemuestraenlafigura2.5semuestrajustamentela segunda clase de salida que se ha usado en el hardware del mdulo. Seusaunaresistenciade4700ohmiosentreelterminaldesignadocomosalida del microcontroladory la base del transistor bipolar de juntura, desde la fuente de 12 voltios se alimenta la bobina del relevador, y por el otro terminal de la misma se conecta con el colector del TBJ, luego de lo cual se conecta tambin a tierra el emisor del mismo. 62 Aunque la salida del microcontrolador es a cinco voltios, se puede trabajar con el TBJconectadoalabobinade12voltiosporquetantolatierradelafuentede5 voltios del regulador 7805 como la del regulador 7812 son las mismas. La seal del microcontrolador llega a la base del transistor bipolar de juntura con una corriente disminuida debido a la presencia de la resistencia de 4700 ohmios, y, como el transistor trabaja como interruptor controlado elctricamente bajo esta modalidad de emisor comn, desde la fuente de 12 voltios empieza a circular la corrienteatravsdelabobinadelrelevador,accionandoloscontactosnormalmenteabiertoscomonormalmentecerrados,ydndoletierraalmismo para facilitar la circulacin de corriente. Se nota tambin que se ha incorporado un diodo 1N4001 conectado en paralelo a labobinadelrelevador,estosedebeaqueaunquepodramosnocolocarlo,su ausenciapodraprovocarseriosdaosenelmicrocontroladorporquenohabra facilidadesparadescargarlasaunquepequeascorrientesinducidasenel bobinadodelrelevador,considerablescuandoseesttrabajandoconelementos detecnologasensibleinclusoalaelectricidadestticacomoloesel microcontrolador,en elcualunacorrienteinducidaproveniente delabobinadel relevador es potencialmente destructiva una vez que se lo ha desconectado. Yenloreferentealasealizacin,nohasidonecesariocolocarsealizadores muy avanzados, como pantallas de cristal lquido o displays de siete segmentos, solamente se ha instalado diodos emisores de luz ya que la lgica que maneja el mdulo didctico es verdaderamente sencilla. La instalacin efectuada para esta sealizacin se muestra en la figura 2.6 que se muestra a continuacin, en donde se puede apreciar que en serie con los diodos emisoresdeluzsehanconectadoresistenciasde330ohmiosqueigualmente limitan la corriente que proporciona el microcontrolador, dado que el mismo, como se ha recordado en clase no constituye una fuente de corriente. 63 Figura 2.6 Sealizacin con instalacin dediodos emisores de luz 2.1.3. FRENO DINMICO Por definicin el frenado dinmico consiste en desconectar la armadura del motor de CD el suministro y conectar sus terminales con una resistencia adecuada. Esta cargaelctricaenlaarmaduratiendeadetenerla,porquedisipaenergaenel resistor de carga. Cuandosedesconectaelinducidodeunmotordelafuentedeenerga,se detiene al cabo de cierto tiempo, a pesar de la inercia de su carga y rotor, porque el rotor ya no recibe energa, y actan las prdidas mecnicas. Originalmente en este tipo de frenado se mantiene la excitacin del motor, y debe desconectarseelrotordelafuente,losconductoresdelinducidoactanamodo degeneradordadoqueestnsumergidosdentrodeuncampomagntico,y presentanlatensininducida.Elmovimientodelinducidoesdebidoalainercia del motor y su carga conectada. En el caso de trabajar con motores shunt, se contina alimentando los bobinados decampo,peroalos terminalesdelrotorseconectaleresistenciade frenoque disipar la energa que genera el rotor. 64 Pero por otro lado, dado que en este caso se trabaja con un motor serie con dos bobinadosdecampo,esevidentequenoesposiblealmenosdeunamanera prctica-lograrmanteneralimentadosnicamentelosbobinadosdecamposin dejardealimentaralrotor,porestamismarazn,sehahechounarreglo medianteelcualsepuedaanasaplicaresteprocedimiento,elcualseexplica en las lneas siguientes: 1. El programa por s solo reconoce que debe por orden del programa iniciar con larutinadefrenadocuandosehapermitidoelpasodeenergahabiendo conectadoelequipoalafuentedealimentacinysinqueeloperariohaya escogido ninguna opcin de trabajo. 2.Lossemiconductoresdealimentacinenestepuntotambinporordendel programanosondisparados,impidiendoelpasodeenergahastaelgrupode inversindegiro,peroinmediatamenteconectadodesdeunprincipiolos contactosquecomunicanelgrupoderesistenciasconelconjuntobobinadosde campo rotor. 3.Unavezqueeloperarioescogilavelocidadysentidodegiro,elequipo inmediatamente desconecta al grupo de resistencias de freno. 4.Sloapartirdeestepuntosehabilitaaloscontactosdebidosparaque permitan el sentido de giro seleccionado y a los semiconductores que permitan el paso de energa segn la dosis que de parte del operario se haya determinado. Tambin se describe a continuacin la rutina que por parte del programa instalado se comanda desde el microcontrolador para permitir el freno una vez que el motor est ya trabajando, debe mencionarse que no importa en qu sentido est girando el motor, ni a qu velocidad, siempre se seguir esta rutina comandada desde el microcontrolador desde el momento en que se ha escogido la opcin de freno: 65 1. Se manda a los semiconductores que impidan el paso de energa hacia la parte defuerza,locualdesconectaalconjuntobobinasdecamporotordelafuente de alimentacin. 2.Todavezquesehacortadolaalimentacin,elprogramadictacerrarlos contactos que conectan al conjunto con la resistencia de campo. 3.A menosqueseindiquelocontrariopor parte deloperario,si sereconectala alimentacin solamente habiendo escogido el sentido de giro, el motor arrancar conlavelocidadquetrabajlaltimavez,locualpuedecomprobarsesiempre gracias a la sealizacin de la cual se le ha provisto al equipo. Elcircuitodefrenadodinmicoquesehaimplementadoparaelequipose muestra en la figura nmero 2.7 mostrada a continuacin: Figura 2.7 Esquema simplificado del freno dinmico implementado interiormente en el equipo 66 En el freno implementado hay que adecuarse a trabajar con la disposicin de este motor especfico, que como principal particularidad se observa que no se dispone deunsolobobinadodecampo,sinodedos,querepresentanacadapolodela mquina,porotrolado,conelconmutador,quenoesmsqueunrelevador,el cualseobservaenlaparteinferior,seescogefuncionamientoodelfrenoo funcionamiento normal del motor. Elfrenodinmicoparaestadisposicinsehaconectadodemaneratalquesea posiblequetantolascorrientesinducidasdeambasbobinasdecampocomola del rotor se puedan disipar como conjunto en la resistencia de freno. La determinacin de la magnitud de la resistencia de freno se ha efectuado de la manera siguiente: Enprimerlugarlaresistenciadearmaduraesde12.4ohmios,laresistenciadel bobinadodecampounoes6.9ohmiosylaresistenciadelbobinadodecampo dos es 6.6 ohmios, y, trabajando con los datos de la placa: STYLE AC- DC 100 120 volts 0 60 cycles 200 watts N.C.R. fuse 3 amps N.C.R. Co. DAYTON OHIO A la fuerza contraelectromotriz la determinaremos: Voltaje aplicado = Corriente de armadura * Resistencia total de las bobinas de campo + fuerza contraelectromotriz 67 Entonces, para poder determinar la fuerza contraelectromotriz se despeja a partir de la expresin anterior, con lo que se obtiene: Fuerza Contraelectromotriz = Voltaje aplicado Corriente de armadura * Resistencia total de las bobinas de campo Y por cuestiones de simplicidad se nombrar las variables de la manera siguiente: Fuerza contraelectromotriz = f.c.e.m. Corriente de armadura = Ia Resistencia total de las bobinas de campo = Rt Voltaje aplicado = Vt Con lo que se obtiene: f.c.e.m. = Vt Ia * Rt = 110 3 * 13.5 = 69.5 (voltios) Potencia de salida = 200 (vatios) Potencia de entrada = 300 (vatios) Y,yaqueenelfrenodinmicolabibliografaconsideracomogenerador estrictamentealaarmaduranadams,seconsideraralasbobinasdelcampo serie como resistencias, cada una de aproximadamente siete ohmios, con lo que la resistencia total para el freno ser: Voltaje generado por la armadura = Corriente generada por la armadura * Resistencia de freno Y al despejar se obtiene: Resistencia de freno = Voltaje generado por la armadura .Corriente generada en la armadura Resistencia de freno = 69.5 . 3 68 Resistencia de freno = 23.17 ohmios Potencia de la resistencia = V * I = 69.5 * 3 = 208.50 vatios Comoprimeraobservacin,delos23,17ohmiossedeberestarelvalordela resistenciadeambosbobinadosdecamposerie,loquedaunvalorde aproximadamente 10 ohmios. Ahora, como los tales no son valores comerciales, se ha escogido una resistencia de10ohmiosy30vatios,porotrolado,seconocequeelpasadoesunclculo aceptable debido a que el freno dinmico trata de disminuir bastante la resistencia parapoderconsiderarlaprcticamenteuncortocircuitoydeestemodoconvertir en calor de modo efectivo el voltaje generado por la armadura, adems de que la potenciade208watiosnoseradisipadaenformadecalorporuntiempomuy grande, as que por sta resistencia no circularn continuamente 3 amperios, o lo harnporunperodomuypequeo,quenoafectaralaresistenciadefreno instalada. 2.2. EL SOFTWARE DEL MDULO Al momento de tratar este tema se iniciar mencionando brevemente que existen esencialmente dos lenguajes de comunicacin con el microcontrolador como para otrosdispositivos,unodeellossonlosdebajonivelyotrotiposonlosdealto nivel,perocuandoseescogecomunicarseconlamquinaatravsdelusode lenguajesdebajonivel,seproduceunconsiderableahorrodecdigoenla confeccindelprograma,locualterminasiendomuyvaliosodebidoala capacidaddememoria,aunqueltimamentestaseexpandecadavezyen muchas de las ocasiones no es un problema insertar un programa extenso en el microcontrolador. Poresto,programasbienensambladosenlenguajedemquinadebajonivel como por ejemplo los confeccionados en Ensamblador optimizan el tamao de la memoria que ocupan y su ejecucin es muy rpida, pero, el problema que suele 69 surgirenelEnsambladoreslapocapotenciadelasinstruccionesqueescapaz deejecutarelprocesador,lasquesemanejaalgomsdirectamentesonlasde sumar,restar,haceroperacioneslgicasAND,OR,XOR,aligualquetambin rotar un dato, moverlo de un sitio a otro y algo ms, pero si se desea hacer una multiplicacin, uno debe confeccionar un programa que para conseguirlo repita las sumaslasvecesqueseannecesarias,poresto,ellenguajeEnsambladoresun lenguajedebajonivel,queconviertelasinstruccionesenuncdigobinariopara que el microprocesador sea capaz de interpretarlas y ejecutarlas. Por otro lado, los lenguajes de alto nivel ms empleados con microcontroladores son el C y el BASIC, de los que existen varias empresas que comercializan varias versionesdecompiladoreseintrpretesparamuchasfamiliasde microcontroladores. En el caso de los PIC es muy buen el compilador de C PCM de la empresa CCS y el intrprete PBASIC de PARALLAX. Tambin pueden encontrarse en nuestro medio varios otros paquetes de software quefacilitanlaconfeccindelprograma,einclusolasimulacindelmismo,uno deelloseselqueseestudienellaboratoriodemicrocontroladores,elprctico PICSimulatorIDEdelaempresaOSHONSOFT,elcualpermiteconfeccionarel programa en lenguaje BASIC, e incluso permite simular el programa junto a otros dispositivosdigitalestalescomodisplaysde7segmentos,pantallasLCD,ledsy tantosotroselementosesencialmentedigitalesquenospermitencomprobarel correctofuncionamientodelprogramaqueseelaboraenunadelasmismas opciones que el paquete computacional posee para la ayuda del programador. Muy utilizado es tambin el programador MPLAB, el cual a pesar de no haber sido estudiado, ha tenido un impacto tan grande en la programacin de los dispositivos que al menos debemos mencionarlo brevemente. A pesar de lo prcticos que son los dos programas computacionales anteriores, el programa que se ha empleado para la ejecucin, el diseo e implementacin del mduloeselMicrocodeStudio,laversin2.2.1.1,elcualjuntoconMPLABy PICMicro son productos registrados de la Microchip Technology Inc. 70 Paratrabajarconlosmicrocontroladoresserequieredestrezaparaadaptarsus pines del mismo a los perifricos externos que le envan las seales y tambin a los que se desea controlar. Tambin es necesario tener los conocimientos bsicos necesariosparapoderconfeccionarelprogramarequeridoquelevaadeciral microcontrolador lo que debe hacer con las seales que le lleguen a travs de los prticosdesignadoscomoentradas.Paralograrestepasosedebeconocer acerca de los lenguajes de programacin, entre los que se cuentan: 1.Lenguaje Ensamblador, de bajo nivel 2.Lenguaje C, de alto nivel 3.Lenguaje BASIC, de alto nivel NosetrataracercadellenguajeEnsambladorniC,peropodemosdaralgunas caractersticasacercadelBASIC,debidoaqueesteesqueseha utilizadopara elaborar nuestro mdulo didctico. Figura 2.8 Detalle de compilacin 71 Loslenguajesdealtoniveltieneninstruccionesmspotentes,siendomuy sencillas son capaces de multiplicar, obtener la raz cuadrada, realizan funciones representativamentecomplicadas,perocadaunadeestasinstruccionesson constituidasporpequeosprogramasmaselementalesquelogranlo anteriormenteexpuesto,cadaunadeestasinstruccionesdealtonivelson realmenteprogramasdebajonivel,poresto,paraqueelprocesadorpueda ejecutar las instruccionesde alto nivel es absolutamente necesario otro programa que descomponga estas instrucciones de alto nivel en instrucciones de bajo nivel que le sean correspondientes. El programa que logra esto se llama compilador. Uncompiladoresunprogramaqueprecisamenteseencargadetraducirun programaconfeccionadoconinstruccionesdealtonivelaotroequivalentecon instrucciones de bajo nivel.Hayunavariantede estos programasquereciben el nombre de intrpretes, que realizan esta tarea pero de instruccin en instruccin, esdecir,traducenunainstruccindealtonivelensucorrespondientedebajo nivel que ejecuta el procesador y a continuacin pasan a la siguiente. Como es de dominio general, el elaborar un programa basado nicamente en las instruccionesdetipoEnsambladorrequiereobligatoriamenteunprofundo conocimientodelaarquitecturainternadelprocesador,yestosetraduceen conocimientosdeelectrnica,ascomoformacinslidaeninformtica.Las instruccionesdebajonivelutilizandirectamentelosrecursosquesehan encapsulado en el interior del procesador. Comosefijanteriormente,ellenguajeCesdetipoprofesional,esunlenguaje muycompletoypotente,peroparapodermanejarloesnecesariotener conocimientosdeinformtica.Tambinesconvenienteconocerlaarquitectura interna del procesador, y en muchos programas es tambin necesario combinarlo con los elementos del lenguaje Ensamblador. EnelcasodellenguajeBASIC,elcualesunlenguajedealtonivel,tiene instruccionespotentesqueseescribeneningls,ysumanejonorequiereque necesariamente se conozca la arquitectura de los microcontroladores con los que 72 se est trabajando, ni de un conocimiento amplsimo de electrnica ni informtica. Acontinuacinsemuestraelprogramacargadoenelmicrocontrolador,conla explicacin de las instrucciones lnea por lnea: cmcon = 7;digitalizamos el puerto a trisa.0 = 1;entrada de freno trisa.1 = 1;entrada de horario trisa.2 = 1;entrada de antihorario trisa.3 = 1;entrada de baja trisa.5 = 1;entrada de media trisa.6 = 1;entrada de alta trisa.7 = 1;entrada del sensor trisb.0 = 0;b.0 salida al disparador o trigger trisb.1 = 0;b.1 salida del freno trisb.2 = 0;b.2 salida horario trisb.4 = 0;b.4 salida antihorario trisb.5 = 0;b.5 salida alta trisb.6 =