tesis gen420mA

ESCUELA DE INGENIERIA EN COMPUTACION Y ELECTRONICA

TESIS

Implementación de Generador/Monitor de señales 4-20 mA. En un sistema de agua potable

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

LICENCIATURA EN INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

PRESENTA:

Ramón Carmona Medina

ASESOR:

M.I. Carlos Ricardo Contreras Gaytán

ACUERDO N° 2002189

Dedico este trabajo a las personas que han estado a mi lado durante todo este tiempo, en especial a

mis Padres Ramón Carmona y Luz María Medina; y hermanos Pablo y Patrizio, quienes han confiado a

lo largo de este trayecto y que sin su apoyo no sería posible.

Agradezco de manera especial:

A mi asesor de tesis el M. I. Carlos Ricardo

Contreras, por haberme brindado la oportunidad de recurrir a su capacidad, experiencia y valioso

tiempo con la mayor disponibilidad, fundamentales para la conclusión de este poyecto.

Al M. I. José Zamora y él I. Ernesto Enei, por la

confianza y paciencia que tuvieron a lo largo de la realización del proyecto.

A la institución de SAPAL por haberme brindado la

oportunidad de realizar con ellos este proyecto.

A la Universidad De La Salle Bajío por haberme brindado el uso de los laboratorios de Electrónica

en los que realicé gran parte del trabajo.

Finalmente doy gracias a Dios, que me ha permitido llegar hasta este punto y confío que en

el futuro siga contando con sus bendiciones. Siendo este momento tan solo el punto de partida.

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ÍNDICE

TABLA DE CONTENIDO

ÍNDICE ___________________________________________________________________ i TABLA DE CONTENIDO ______________________________________________________________ i LISTA DE ILUSTRACIONES ___________________________________________________________ iii

JUSTIFICACIÓN _____________________________________________________________ v

OBJETIVO ________________________________________________________________ vi OBJETIVOS PARTICULARES __________________________________________________________ vi CARACTERÍSTICAS DE DISPOSITIVO ___________________________________________________ vi

METODOLOGIA ___________________________________________________________ vii SUJETOS _______________________________________________________________________ vii MATERIAL ______________________________________________________________________ vii PROCEDIMIENTO ________________________________________________________________ vii

Capítulo 1 INTRODUCCION _________________________________________________ 1 1.1 TEORÍA DE CARGAS __________________________________________________________ 1 1.2 UNIDADES __________________________________________________________________ 2

1.2.1 CORRIENTE ____________________________________________________________ 2 1.2.2 RESISTENCIA ___________________________________________________________ 3 1.2.3 VOLTAJE ______________________________________________________________ 4

1.3 LEYES ELECTRICAS____________________________________________________________ 5 1.3.1 LEY DE OHM ___________________________________________________________ 5 1.3.2 LEY DE WATT ___________________________________________________________ 6 1.3.3 LEY DE KIRCHHOFF ______________________________________________________ 7

Capítulo 2 CONTROL DE FLUJO DE CORRIENTE ________________________________ 13 2.1 FUENTES DE VOLTAJE ________________________________________________________ 13 2.2 FUENTES DE CORRIENTE _____________________________________________________ 15 2.3 TIPOS DE CONTROL DE CORRIENTE _____________________________________________ 16 2.4 RESISTENCIA COMO DISPOSITIVO ELECTRÓNICO __________________________________ 17 2.5 SEMICONDUCTORES _________________________________________________________ 19 2.6 EL DIODO _________________________________________________________________ 20 2.7 TRANSISTORES _____________________________________________________________ 22 2.8 AMPLIFICADORES OPERACIONALES ____________________________________________ 26

Capítulo 3 LAZO DE CORRIENTE DE 4-20 mA. __________________________________ 31 3.1 SISTEMAS DE CONTROL ______________________________________________________ 31 3.2 TIPOS DE CONTROL _________________________________________________________ 32

3.2.1 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO ___________________________________ 32 3.2.2 SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO __________________________________ 33

3.3 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS ___________________________________________ 35 3.3.1 CONVERTIDOR ANALOGICO-DIGITAL (ADC) _________________________________ 36 3.3.2 CONVERTIDOR DIGITAL-ANALOGICO (DAC) _________________________________ 38

3.4 LAZO DE CORRIENTE DE 4-20mA _______________________________________________ 40 3.4.1 COMPONENTES DE LAZO DE CORRIENTE DE 4-20mA __________________________ 40 3.4.2 ESTÁNDAR DE NORMA LAZO DE CORRIENTE DE 4-20 mA ______________________ 41 3.4.3 Transmisor 4-20mA ____________________________________________________ 42 3.4.4 Receptor 4-20 mA ______________________________________________________ 43

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3.4.5 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LAZO DE CORRIENTE DE 4-20mA ______________ 43 3.4.6 CONVERTIDOR DE VOLTAJE A CORRIENTE ___________________________________ 45 3.4.7 CONVERTIDOR DE CORRIENTE A VOLTAJE___________________________________ 46 3.4.8 CIRCUITOS DE APLICACIÓN ESPECÍFICA _____________________________________ 47

Capítulo 4 USO DE MICROCONTROLADORES __________________________________ 49 4.1 MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR ____________________________________ 49 4.2 ARQUITECURA INTERNA _____________________________________________________ 50 4.3 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN _______________________________________________ 53 4.4 FREESCALE HC08GP32 _______________________________________________________ 54

4.4.1 CARACTERÍSTICAS ______________________________________________________ 55 4.4.2 ASIGNACIÓN Y FUNCIÓN DE PINES ________________________________________ 56 4.4.3 MAPA DE MEMORIA ____________________________________________________ 57 4.4.4 INTERRUPCIONES ______________________________________________________ 58 4.4.5 MÓDULO ADC _________________________________________________________ 59 4.4.6 MÓDULO DE TECLADO __________________________________________________ 59 4.4.7 MÓDULO TIM _________________________________________________________ 60

Capítulo 5 DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN _________________________________ 61 5.1 GENERADOR DE LAZO DE 4-20mA ______________________________________________ 64

5.1.1 GENERADOR DE CORRIENTE _____________________________________________ 64 5.1.2 CONVERTIDOR DIGITAL-ANALÓGICO _______________________________________ 65 5.1.3 TRANSMISOR 4-20mA __________________________________________________ 67

5.2 RECEPTOR DE LAZO DE 4-20mA ________________________________________________ 68 5.3 INTERFACES DE ENTRADA Y SALIDA ____________________________________________ 69

5.3.1 CONTROLADOR DE TECLADO MATRICIAL ___________________________________ 69 5.3.2 DISPLAY ALFANÚMERICO ________________________________________________ 70

5.4 MICROCONTROLADOR _______________________________________________________ 71 5.5 ALIMENTACIÓN ____________________________________________________________ 73 5.6 IMPLEMENTACIÓN DEL DISPOSITIVO ___________________________________________ 75 5.7 OPERACIÓN Y USO DEL DISPOSITIVO GENERADOR/MONITOR DE SEÑALES DE 4-20mA ___ 77

5.7.1 TECLADO MATRICIAL ___________________________________________________ 77 5.7.2 PANTALLA DE VISUALIZACIÓN Y FLUJO DE PROGRAMA ________________________ 77 5.7.3 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN ______________________________________________ 79

5.8 RESULTADOS Y OBSERVACIONES _______________________________________________ 81 5.8.1 TRANSMISOR DE LAZO DE 4-20mA ________________________________________ 81 5.8.2 RECEPTOR DE LAZO DE 4-20mA ___________________________________________ 82

CONCLUSIONES ___________________________________________________________ 83

Capítulo 6 APÉNDICE _____________________________________________________ 86 A.1 CÓDIGO DE PROGRAMA _______________________________________________________ 86

MAIN.C ______________________________________________________________________ 86 POGRAMA.C _________________________________________________________________ 88 6.1.1 LCD.C _______________________________________________________________ 106 teclado.c ___________________________________________________________________ 111 BANDERA.H _________________________________________________________________ 114 LIBPERSONAL.H ______________________________________________________________ 115

A.2 ESQUEMÁTICOS _____________________________________________________________ 116 TRANSMISOR 4-20mA _________________________________________________________ 117 TECLADO MATRICIAL __________________________________________________________ 118 ALIMENTACION ______________________________________________________________ 119 GENERADOR/MONITOR 4-20mA ________________________________________________ 120

BIBLIOGRAFÍA ___________________________________________________________ 121 REFERENCIAS BIBLIOGÁFICAS _____________________________________________________ 121 REFERENCIA NO BIBLIOGRÁFICA ___________________________________________________ 122

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LISTA DE ILUSTRACIONES Figura 1-1 Circuito básico _______________________________________________________________ 6 Figura 1-2 Circuito serie ________________________________________________________________ 7 Figura 1-3 Circuito serie equivalente ______________________________________________________ 8 Figura 1-4 Ley de voltaje de Kirchhoff en un circuito serie ____________________________________ 9 Figura 1-5 Elementos en paralelo ________________________________________________________ 10 Figura 1-6 Conductancia y resistencia en el circuito paralelo _________________________________ 11 Figura 1-7 Ley de corriente de Kirchhoff __________________________________________________ 12 Figura 2-1 Fuente ideal de voltaje _______________________________________________________ 14 Figura 2-2 Resistencia interna de la fuente ________________________________________________ 14 Figura 2-3 Fuente de corriente __________________________________________________________ 15 Figura 2-4 Gráfica “corriente constante” __________________________________________________ 16 Figura 2-5 Símbolo de resistencia _______________________________________________________ 17 Figura 2-6 Símbolos de resistencia _______________________________________________________ 18 Figura 2-7 Diodo _____________________________________________________________________ 20 Figura 2-8 Unión PN __________________________________________________________________ 21 Figura 2-9 Polarización de una unión PN __________________________________________________ 21 Figura 2-10 Diodo ideal ________________________________________________________________ 22 Figura 2-11 Estructura del transistor _____________________________________________________ 23 Figura 2-12 Flujo de electrones en el transistor polarizado ___________________________________ 23 Figura 2-13 Flujo de corriente en el transistor _____________________________________________ 24 Figura 2-14 Configuración emisor común _________________________________________________ 25 Figura 2-15 Zonas de funcionamiento del transistor ________________________________________ 26 Figura 2-16 Amplificador operacional ideal _______________________________________________ 27 Figura 2-17 Alimentación del amplificador operacional ______________________________________ 28 Figura 2-18 Voltaje de salida con respecto a la entrada en el amplificador operacional____________ 29 Figura 3-1 Diagrama a bloques de un sistema de control en lazo abierto _______________________ 32 Figura 3-2 Diagrama básico de sistema de control en lazo abierto _____________________________ 33 Figura 3-3 Sistema de control en lazo cerrado _____________________________________________ 33 Figura 3-4 Sistema de control digital _____________________________________________________ 34 Figura 3-5 Sistema de control de temperatura, control de lazo cerrado ________________________ 35 Figura 3-6 Elementos del sistema de adquisición de datos digital _____________________________ 36 Figura 3-7 Componentes de un lazo de corriente ___________________________________________ 41 Figura 3-8 Tipo 2 _____________________________________________________________________ 42 Figura 3-9 Tipo 3 _____________________________________________________________________ 42 Figura 3-10 Tipo 4 ____________________________________________________________________ 42 Figura 3-11 Cálculo de caída de voltaje ___________________________________________________ 43 Figura 3-12 Efectos de resistencia del cable _______________________________________________ 45 Figura 3-13 Convertidor de voltaje a corriente para cargas flotantes ___________________________ 45 Figura 3-14 Convertidor de voltaje a corriente con carga aterrizada ___________________________ 46 Figura 3-15 Convertidor de corriente a voltaje _____________________________________________ 47 Figura 4-1 Elementos esenciales y opcionales de un microcontrolador _________________________ 50 Figura 4-2 Unidad aritmético lógica ______________________________________________________ 51 Figura 4-3 Distribución de pines para el HC08GP32 _________________________________________ 56 Figura 4-4 Mapa de memoria de HC08GP32 _______________________________________________ 57 Figura 5-1 Sistema de control en lazo cerrado _____________________________________________ 61 Figura 5-2 Sistema de control, con entrada de realimentación generada externamente ___________ 62 Figura 5-3 Monitor de lazo de corriente __________________________________________________ 62 Figura 5-4 Esquema de interconexión interna a bloques _____________________________________ 63 Figura 5-5 Convertidor de voltaje a corriente ______________________________________________ 65 Figura 5-6 DAC0800, con salida de baja impedancia positiva _________________________________ 66 Figura 5-7 Transmisor 4-20mA de 3 hilos _________________________________________________ 67 Figura 5-8 Conexión básica de RCV420 ___________________________________________________ 68 Figura 5-9 Esquema controlador de teclado maticial ________________________________________ 70 Figura 5-10 Conexión de display 4X16 caracteres ___________________________________________ 71

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Figura 5-11 Distribución de recursos en el microcontrolador _________________________________ 72 Figura 5-12 Ajuste de voltaje para regulador positivo _______________________________________ 74 Figura 5-13 Ajuste de voltaje para regulador negativo ______________________________________ 74 Figura 5-14 Etapa de alimentación _______________________________________________________ 75 Figura 5-15 Esquemático para el dispositivo generador y monitor de 4-20mA ___________________ 76 Figura 5-16 Descripción de teclado matricial ______________________________________________ 77 Figura 5-17 Pantallas de visualización y funciones __________________________________________ 78 Figura 5-18 Pantalla de señal para generador ______________________________________________ 79 Figura 5-19 Pantalla frecuencia para generador ____________________________________________ 79 Figura 5-20 Transmisor alimentado por fuente externa _____________________________________ 80 Figura 5-21 Receptor, con fuente de alimentación externa para transmisor externo ______________ 80

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JUSTIFICACIÓN En el área del control automático se cuenta con una gran variedad de dispositivos que generan o adquieren información a través de la norma 4-20 mA, los generadores pueden ser sensores, mientras que los receptores son aparatos destinados a realizar el control en un sistema. Sin embargo no existen dispositivos como tal, que fuera del sistema de control, permitan interactuar dentro del lazo, para hacer pruebas de manera manual a supervisores del sistema. En un sistema de agua potable automatizado, es posible observar el posible comportamiento de algún elemento del sistema de manera virtual, mediante herramientas de diseño previas a la implementación. De manera física para verificar el correcto comportamiento de un sistema de control, será necesario realizar el proceso de vaciado o llenado de tanques, operación complicada al tratarse de volúmenes de agua grandes. El dispositivo propuesto facilitaría la generación de señales correspondientes al nivel de líquido representado, ahorrando tiempo, evitando el desplazamiento de tal cantidad de líquidos y obteniendo la respuesta física correspondiente al estado del líquido. Un dispositivo como el propuesto ayudaría a realizar tareas típicas de inspección y mantenimiento de equipo o emulación de variables a controlar dentro de un sistema de control, para la observación de su comportamiento.

vi

OBJETIVO Desarrollar un dispositivo orientado a ser utilizado en el campo de la automatización, capaz de generar y monitorear señales de 4-20mA, para facilitar la inspección de lazos de corriente en sistemas de agua potable.

OBJETIVOS PARTICULARES

Lograr una intercomunicación del dispositivo a los distintos sensores y receptores del estándar.

Emular mediante el dispositivo, la salida de sensores de nivel de líquido, para el llenado de de tanques de agua.

Adquirir mediante el dispositivo, el nivel de líquido en tanques de agua.

CARACTERÍSTICAS DE DISPOSITIVO Salida de corriente variable entre 4 y 20mA

Medición de corriente en el rango de 4 a 20mA

Generación de funciones analógicas entre 4-20mA

Protección contra sobre corriente.

Indicador de estados (pantalla).

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METODOLOGIA

SUJETOS El proyecto desarrollado está dirigido a personas que lo utilicen

como herramienta en la implementación, inspección y mantenimiento de sistemas de control, que funcionen bajo el estándar 4-20 mA.

MATERIAL Documentos: Se refiere a la información en la que se basa la investigación, las fuentes pueden ser de tres tipos:

Bibliográfica: En general libros sobre teoría electrónica básica y teoría de control, donde se encuentra información acerca de Ley de ohm, fuentes de corriente, control, lazos de control, etc.

Hojas de datos y notas de aplicación: En su mayoría en formatos electrónicos (*.pdf, *.html). Son publicaciones que realizan los fabricantes de Circuitos integrados, sensores y soluciones electrónicas y de control en las que se encuentran suficiente información acerca del tema a investigar pero, con la desventaja de que la información está distribuida de manera aleatoria.

Normas publicadas: Son los documentos que publican las organizaciones que norman los estándares.

Material Electrónico: Todo material electrónico que sea de utilidad, donde básicamente se encuentran circuitos de aplicación especifica, circuitos y componentes de uso común, Diseño de prototipos e instrumentos de laboratorio.

PROCEDIMIENTO Se Comenzó con la previa investigación teórica acerca de los conceptos relacionados con la norma lazo de corriente, se recurrió para esto a la publicación de la norma en el ISA. Se incluyeron otros temas como ley de ohm, fuentes de corriente controlada, sistemas de control, estándares

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para la transmisión de datos. Una vez que se obtuvo la suficiente información, se realizó una investigación sobre circuitos de aplicación específica que se contemplaron para su probable utilización en el proyecto. Se hicieron pruebas experimentales con los circuitos investigados, esto previo al prototipo, después se eligió y descarto opciones. Luego se realizaron varios prototipos con los materiales que resultaron más apropiados durante la experimentación. Se realizaron pruebas finales al prototipo, para determinar posibles fallas y mejoras que se pudiera agregar, estas pruebas se hicieron junto con dispositivos de control implementados, finalmente se realizo el prototipo libre de fallas. Se llevo a cabo la Implementación final del prototipo que mejor hubo satisfecho las pruebas durante cada etapa experimental.

1

Capítulo 1 INTRODUCCION La electrónica es la ciencia aplicada que se encarga de controlar el flujo de electrones a través de trayectorias, para la generación, transmisión y recepción de información, así como la realización de trabajos. El conocimiento básico de los conceptos fundamentales que forman la electricidad como lo son la corriente y voltaje, exigen cierta familiaridad con el átomo, su constitución y la teoría de atracción y repulsión de cargas. En este capítulo se habla primero de comportamiento de las cargas eléctricas y poco a poco se avanza en principios de electrónica, en los que se definen voltaje, corriente, resistencia y las leyes básicas presentes en todo circuito eléctrico.

1.1 TEORÍA DE CARGAS El átomo está constituido en su núcleo por protones (cargas positivas) y neutrones (carentes de carga eléctrica). Mientras el electrón gira alrededor del núcleo, con una carga negativa de igual magnitud que la carga positiva. Dependiendo de la cantidad de electrones en un átomo estos se distribuyen en varias capas alrededor del núcleo, cada capa, con una capacidad máxima de de electrones, dependiendo del material la capa más alejada del núcleo, puede estar incompleta originando así electrones libres, el cual puede abandonar su átomo de origen cuando adquiere suficiente energía del entorno. El tipo de materiales que contienen electrones libres son los conductores como el caso del cobre, plata, oro, entre otros. Sin el comportamiento de los electrones libres no se podrían generar los componentes que formas a la electricidad. Cuando una carga eléctrica, está en movimiento a través de un algún material, se dice que existe una corriente eléctrica. Para mantener constante un flujo de cargas eléctricas, es necesario contar con una fuente que suministre cargas negativas en un lado y positivas en otro. La concentración de cargas negativas en un punto implica que exista un déficit equivalente de los mismos, en otro punto, esto a su vez genera una fuerza entre ellos que es una representación de energía existente en los átomos. Esta fuerza o energía, almacenada tiende a restablecer el equilibrio natural de de los átomos, es decir reordenar sus electrones. Esta fuerza o energía tiene varios nombres, así pues se dice que es una energía potencial, diferencia de potencial, o como comúnmente la conocemos, se trata de un voltaje. Sí dejásemos caer un objeto con cierta masa a cierta altura, este acumula cierta cantidad de energía, con la que es posible realizar un trabajo, como aplastar un objeto, sí el mismo objeto cae desde una posición más elevada este acumula más energía con la que podrá realizar un trabajo adicional. De

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manera similar cuando el desequilibrio entre electrones y protones es mayor, se genera un voltaje o fuerza mayor entre los puntos cargados. Al colocar una trayectoria para que los electrones se muevan hacia los protones, se genera un movimiento conocido como flujo de corriente. El número de electrones que se mueven dependerá de la fuerza o voltaje que actué entre los puntos y de la facilidad que proporciones la trayectoria. Sí la trayectoria es flexible al paso de electrones, el flujo de corriente será intenso, aún cuando la fuerza sea pequeña. Sí los electrones se mueven con facilidad a través de la trayectoria, se habla de que la trayectoria ofrece una resistencia baja, cuando la trayectoria obstaculiza el movimiento de electrones es porque tiene una resistencia alta, por lo que el flujo de corriente será ligero, aún si la fuerza que actúa entre los puntos es alta.

1.2 UNIDADES Para expresar una cantidad de fuerza, energía o flujo, primero debe existir una referencia llamada unidad de fuerza, energía o flujo. Al trabajar con la corriente, resistencia y voltaje se debe definir una unidad de corriente, una de resistencia y una unidad de voltaje. Cada una de ellas se define al observar, su forma natural de comportamiento.

1.2.1 CORRIENTE La corriente eléctrica, es el flujo de electrones a través de una trayectoria, por tratarse de de un flujo se asocia un movimiento que implica una unidad de tiempo para su medición, como en litros por hora o distancia por minutos. Al desplazarse 6.242 X 108 electrones de manera constante a través de una trayectoria durante 1 segundo. Se dice que existe un flujo de corriente de 1 Ampere (A), nombre que recibió la unidad en honor al científico francés André Marie Ampére1. Con el propósito de establecer valores numéricos que permitan comparaciones inmediatas entre niveles, se estableció el Coulomb (C) de carga como la carga total asociada con 6.242 X 10 8 electrones, así la carga asociada con un electrón podrá determinarse a partir de :

Carga/electrón = 𝑄𝑒 =1C

6.242 × 108= 1.6 × 10−19C

La corriente en Amperes puede expresarse utilizando la siguiente ecuación:

1

1 André-Marie Ampére (Poleymieux-au-Mont-d'Or, 20 de enero de 1775 - † Marsella, 10 de junio de

1836), físico francés considerado como uno de los descubridores del electromagnetismo. En 1827 público “Teoría de los fenómenos electrodinámicos”, donde expuso la Ley de Ampére. En su honor, el amperio fue designada como unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica

𝐼 =𝑄

𝑡 𝐼 = ampere A

𝑄 = coulombs C 𝑡 = tiempo (s)

3

La letra mayúscula 𝐼 se eligió a partir de la palabra francesa utilizada para referirse a la corriente intensite.

1.2.2 RESISTENCIA El flujo de corriente a través de un material encuentra una fuerza opuesta, similar a la fuerza producida por la fricción mecánica. Esta oposición se debe a las colisiones dadas entre los electrones que fluyen y entre los electrones de otros átomos, que convierten la energía eléctrica a otra forma de energía como el calor y es a lo que se le conoce como resistencia del material. La unidad empleada para la resistencia es el Ohm (Ω), nombre que se le dio en honor del físico alemán Georg Simon Ohm, autor de la Ley de Ohm. La resistencia de cualquier material con un área transversal uniforme, es afectada por cuatro factores:

1) Material 2) Longitud 3) Área transversal 4) Temperatura

Cada material reaccionará de manera diferente al flujo de corriente a través del mismo, ese flujo depende de la estructura molecular del material (única para cada material). Como es de suponerse aquellos materiales con mayor susceptibilidad al paso de corriente tendrán menor resistencia que aquellos que impiden el flujo de corriente como es el caso de los aislantes. Mientras mayor será la trayectoria que deban recorrer los electrones mayor será la resistencia del material, mientras que a mayor área será menor la resistencia gracias al espacio disponible. Por lo que la resistencia en todo material de área transversal uniforme será directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional al área. Un aumento de calor en el material afecta el movimiento interno de las partículas haciendo más difícil el flujo de electrones e incrementando así la resistencia. A una temperatura ambiente (20 grados centígrados), se define la resistencia como:

R = ρl

A (ohms, Ω ) R=resistencia Ω

l=longitud A=área transversal ρ=resistividad

4

La resistividad está definida como la resistencia de un alambre de 1 m de largo y 1 m2 de sección transversal.

Material Resistividad a 20°C (Ω·m)

Plata 1.59 x 10-8

Cobre 1.70 x 10-8

Oro 2,44 x 10-8

Aluminio 2.82 x 10-8

Tungsteno 5.52 x 10-8

Níquel 7,2 x 10-8

Hierro 9.98 x 10-8

Estaño 12 x 10-8

Acero Inoxidable 71,1 x 10-8

Grafito 35.0 x 10-8 Tabla 1 Resistividad de los metales, ohms-metros

1.2.3 VOLTAJE La diferencia de potencial, es la fuerza que ejerce una fuente de voltaje sobre un circuito eléctrico, para causar un flujo de corriente eléctrica a través del sistema eléctrico. Por representar una fuerza, el voltaje es una señal de cuanta energía, se involucra en el movimiento de una carga entre dos puntos de un sistema eléctrico. Mientras mayor sea el nivel de voltaje, en una fuente de energía, se dispondrá de más energía para mover cargas a través del sistema. Una diferencia de potencial o voltaje siempre se mide entre dos puntos en el sistema. Al cambiar cualquiera de los puntos, cambia la diferencia de potencial entre los dos puntos bajo análisis. La unidad de medición del voltaje es el volt, nombre que fue dado en honor al físico italiano Alessandro Volta3. El volt en términos de la corriente y la resistencia, se define como la fuerza o presión requerida para que 1 ampere de corriente fluya a través de una resistencia de 1 ohm. La abreviatura designada para el volt es V.2

2 Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (febrero 18 de 1745 - marzo 5 de 1827), físico italiano,

famoso por el desarrollo de la batería eléctrica. La unidad de fuerza electromotriz del Sistema Internacional, lleva el nombre de voltio desde el año 1881

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1.3 LEYES ELECTRICAS En su forma más básica, la combinación de los elementos antes mencionados voltaje, corriente y resistencia, forman el circuito eléctrico, como lo es la batería eléctrica y alguna carga. Gracias a que todo elemento electrónico está diseñado para manipular las señales eléctricas, tenemos que El circuito eléctrico es la interconexión de distintos elementos eléctricos como resistencias, inductores, capacitores fuentes de voltaje, fuentes de corriente, líneas de transmisión, switches o electrónicos Con la finalidad de generar, transportar o modificar señales eléctricas. En los circuitos eléctricos se pueden identificar varias partes, que lo identifican como un circuito, de manera básica se consideran:

Fuente de Energía: La fuente o generador de energía puede ser de voltaje o corriente, estas suministran el flujo de electrones a través del circuito y puede haber una o más fuentes dentro de un mismo circuito.

Conductores: Son los hilos de resistencia despreciable (casi cero, recordemos la resistividad), que sirven de nodo interconectando otros elementos eléctricos.

Cargas: Todo aquel elemento eléctrico que permite la manipulación del flujo de electrones. La agrupación de estos en distintas maneras llegan a tener el nombre de redes, mallas o ramas.

El diseño, entendimiento y control de todo circuito eléctrico se basa en un número de leyes eléctricas que aplican para cualquier red eléctrica:

Ley de Ohm Ley de Watt Ley de Kirchhoff para el voltaje Ley de Kirchhoff para la corriente

1.3.1 LEY DE OHM La ausencia de voltaje, en un circuito eléctrico, resulta una reacción nula en el sistema y ningún flujo de corriente en el circuito eléctrico. La corriente es una reacción al voltaje aplicado, por sí solos estos elementos no pueden existir. Para una resistencia fija, mientras más voltaje se aplique en la resistencia mayor será la corriente, y a mayor resistencia para el mismo voltaje, menor será la corriente. En otras palabras, la Ley de Ohm establece que la corriente es proporcional al voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia.

𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 =𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙

𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎= 𝐼 =

𝑉

𝑅 A

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Mediante manipulación algebraica simple es posible obtener los valores de Voltaje (V) y Resistencia (R) respectivamente.

𝑉 = 𝑅𝐼 (V)

𝑅 =𝑉

𝐼 (Ω)

La Figura 1-1 nos muestra los tres elementos voltaje, corriente y resistencia, en un circuito sumamente básico. La letra E se utiliza para el voltaje de la fuente mientras que la letra V representa las caídas de voltaje en un resistor.

R

+

V

_

+

E

_

I

Figura 1-1 Circuito básico

1.3.2 LEY DE WATT La potencia es una indicación de cuánto trabajo (conversión de un tipo de energía en otra) puede efectuarse en un lapso de tiempo específico. La potencia se mide en Joules/segundo (J/s). La unidad Eléctrica de medición para la potencia es el watt (W), nombre dado en honor de James Watt3.

1 𝑤𝑎𝑡𝑡 𝑊 =1𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒

𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜(𝐽

𝑠)

3 James Watt (19 de enero de 1736 - 19 de agosto de 1819), matemático e ingeniero escocés. Nacido en

Greenock, escocia. Vivió y trabajo en Inglaterra, fue elegido miembro de la Real sociedad de Londres en 1785. Diseño instrumentos matemáticos como el cuadrante, la brújula y varias escalas. Introdujo el término caballo de potencia como la potencia promedio que desarrollada por un caballo fuerte en un día de trabajo.

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James Watt introdujo el término caballo de potencia (potencia desarrollada por un caballo fuerte durante un día de trabajo). El caballo y el watt se relacionan de la siguiente manera:

1 𝑐𝑎𝑏𝑎𝑙𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 746 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠

La ley de watt afirma que la potencia entregada a, o absorbida por, un dispositivo o sistema eléctrico puede encontrarse en términos de voltaje y corriente, siendo igual al producto de estos dos.

𝑃 = 𝑉𝐼

1.3.3 LEY DE KIRCHHOFF La ley de KIRCHHOFF, describe las características de elementos eléctricos cuando poseen cierto acomodo que permiten el flujo de corriente en distintas direcciones o dividir el voltaje según el elemento conectado. Principalmente ayuda al cálculo de voltajes y corriente en un circuito eléctrico y se puede resumir en la “Ley de voltaje de KIRCHHOFF para circuitos en serie” y “Ley de corriente de KIRCHHOFF para circuitos en paralelo”.

1.3.3.1 El circuito serie Un circuito consta de cualquier número de elementos conectados en puntos terminales, ofreciendo por lo menos una ruta por la que fluye la corriente. Figura 1-2 muestra un circuito que consta de tres elementos conectados en tres puntos (a, b, c), para tener una ruta cerrada para la corriente I. Se establece que un circuito está conectado en serie cuando:

La terminal de un elemento se encuentra conectada únicamente a la terminal de otro elemento.

El punto común entre dos elementos no se encuentre conectado con otro elemento que transporte corriente.

R1

E

(a) Circuito en serie.

I I

II

R2

a b

c

R1

R3

R2

I

(b) R1 y R2 no estan en serie

b

Figura 1-2 Circuito serie

Las resistencias del inciso (a) de Figura 1-2 se encuentran en serie, debido a que las terminales de R1 y R2 solo cuentan con un punto en común (punto b). Los dos

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extremos restantes están conectados a la fuente de alimentación, para este circuito, la fuente también está en serie con las resistencias, en R1 por el punto a y con R2 por el punto c. En Figura 1-2 (b) las resistencias R1 y R2 no están en serie debido a que en el punto b, la terminal de un tercer elemento hace que parte de la corriente fluya en otra dirección. Los circuitos en serie presentan algunas características, propias de ellos. a) Para todo circuito en serie la corriente es la misma a través de los elementos que se encuentren en serie. En Figura 1-2 se puede ver claramente en (a), mientras que en (b) hay una desviación de una parte de la corriente. b) La resistencia total de un circuito en serie es la suma de los niveles de resistencia, dentro del circuito. Para Figura 1-2 (a), se muestra un circuito equivalente en la Figura 1-3, donde 𝑅𝑇 = 𝑅1 + 𝑅2 y en general para cualquier circuito de N resistores en serie, la ecuación será:

𝑅𝑇 = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + ⋯ + 𝑅𝑁

Una vez que se conoce la resistencia total del circuito 𝑅𝑇 , la corriente extraída de la fuente puede calcularse a partir de la Ley de Ohm:

𝐼𝑇 =𝐸

𝑅𝑇

E

Remplazo de R1 R2 Por RT

IT

RT =R1+R2

IS

RT

Figura 1-3 Circuito serie equivalente

9

Gracias a que la corriente es la misma para todos para todos los elementos de la Figura 1-2 (a), se puede determinar el voltaje para cada elemento del circuito utilizando la ley de Ohm:

𝑉1 = 𝐼𝑅1, 𝑉2 = 𝐼𝑅2, 𝑉3 = 𝐼𝑅3, … 𝑉𝑇 = 𝐼𝑅𝑁

La potencia entregada para cada elemento del circuito puede determinarse con cualquiera de las siguientes ecuaciones que se presentan para el caso de 𝑅1

𝑃1 = 𝑉1𝐼1 = 𝐼12𝑅1 = (

𝑉12

𝑅1)

La potencia entregada por la fuente es:

𝑃𝐸 = 𝐸𝐼 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + ⋯ + 𝑃𝑁

1.3.3.2 Ley de voltaje de KIRCHHOFF Establece que la suma algebraica de las elevaciones y caídas de potencial a lo largo de la trayectoria de un lazo cerrado (trayectoria continua que sale de un punto en una dirección y termina en el mismo punto sin abandonar el circuito) es cero. Las Leyes de Kirchhoff reciben el nombre del físico prusiano Gustav Robert Kirchhoff4.

𝑉𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = 𝑉𝑐𝑎 í𝑑𝑎𝑠

En un circuito en serie el voltaje que se le aplica al circuito en serie, equivale a la suma de las caídas de voltaje de los elementos en serie.

R1

E

I I

II

R2

a b

c

+ V1 -

+

V2

-

Figura 1-4 Ley de voltaje de Kirchhoff en un circuito serie

4 Gustav Robert Kirchhoff (12 de marzo de 1824 – 17 de octubre de 1887) físico prusiano cuyas

principales contribuciones científicas están en el área eléctrica, teoría de placas, la óptica, la espectroscopia y la emisión de radiación de cuerpo negro. Sus principales contribuciones son las leyes eléctricas de Kirchhoff de ingeniería eléctrica.

10

En el caso de Figura 1-4, se puede seguir una trayectoria partiendo la fuente E y siguiendo en los puntos a, b, c y regresar a E sin abandonar el circuito, generándose así un lazo cerrado. En la misma figura tenemos representadas las caídas de voltaje con los signos (+ a -) y las elevaciones de voltaje con los signos (- a +). Por ley de kirchhoff tendremos que la suma algebraica de caídas y elevaciones será igual a cero.

𝑉𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 + 𝑉𝑐𝑎 í𝑑𝑎𝑠 = 0

−𝐸 + 𝑉1 + 𝑉2 = 0

𝐸 = 𝑉1 + 𝑉2

1.3.3.3 Circuito en paralelo Las configuraciones en serie y en paralelo son la base de estructuras de redes complejas. Un circuito en paralelo, consta de al menos dos elementos que tengan 2 puntos en común Figura 1-5.

1 2 1 2 3 1 2 3

Figura 1-5 Elementos en paralelo

Igual que para los elementos en serie, la resistencia total del circuito es la suma de los valores resistivos de cada elemento. Para elementos en paralelo, la conductancia total es la suma de las conductancias individuales Figura 1-6.

11

GT G1 G2 G3

A) Conductancia total de conductancias en paralelo

RT R1 R2 R3 RN

B) Resistencia total para resistencias en paralelo

GN

Figura 1-6 Conductancia y resistencia en el circuito paralelo

𝐺𝑇 = 𝐺1 + 𝐺2 + 𝐺3 + ⋯𝐺𝑁

En la Figura 1-6 (b) se han sustituido las conductancias por los valores resistivos de cada elemento. Como 𝐺 = 1/𝑅 para obtener la Resistencia total del circuito se puede realizar la sustitución directa en la ecuación:

1

𝑅𝑇=

1

𝑅1+

1

𝑅2+

1

𝑅3+ ⋯ +

1

𝑅𝑁

1.3.3.4 Ley de corrientes de KIRCHHOFF La ley de voltaje de kirchhoff proporciona importantes relaciones entre los niveles de voltaje en cualquier circuito de lazo cerrado. Así mismo existe la ley de corriente de Kirchhoff que de la misma manera proporciona una importante relación entre los niveles de corriente en cualquier unión. La ley de corriente de Kirchhoff establece que las corrientes entrantes a un área, sistema o unión debe ser igual a la suma de las corrientes que salen del área, sistema o unión.

𝐼𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 = 𝐼𝑠𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

En la Figura 1-7 (a), el área sombreada representa la red de algún circuito eléctrico complejo, donde se encuentran algunas trayectorias que entran y otras que salen. En la Figura 1-7 (b) se representa un nodo, que es el ejemplo más común de uniones de dos o más trayectorias de flujo de corriente. Para cualquiera de los dos casos la de acuerdo a la ley, la corriente que entra debe ser igual a la que sale, de acuerdo con esto:

12

Red complejaI1=4A

I2=6A

I3=8A

I4=2A

Representación de la ley de corriente de Kirchhoff

I1=4A

I2=1A

I3=3A

Ley de corriente de Kirchhoff en un nodo

Figura 1-7 Ley de corriente de Kirchhoff


𝐼3 + 𝐼4 = 𝐼1 + 𝐼2 8𝐴 + 2𝐴 = 6𝐴 + 4𝐴

10𝐴 = 10𝐴


𝐼1 = 𝐼2 + 𝐼3 4𝐴 = 1𝐴 + 3𝐴

4𝐴 = 4𝐴

13

Capítulo 2 CONTROL DE FLUJO DE CORRIENTE Históricamente, se considera que la corriente eléctrica es un flujo de cargas positivas, fijándose lo que hoy se conoce como el flujo convencional de corriente eléctrica, como un flujo de cargas desde un polo positivo a un polo negativo. Está primera teoría sobre el flujo de la electricidad expuesta por Benjamín Franklin, era fácil de comprender, por tanto se acepto la idea y se tomo como cierta. Posteriormente se descubrió que el flujo de cargas no era de la parte positiva a la negativa, sino todo lo contrario, de la parte negativa a la parte positiva, ya que las únicas cargas físicas que fluyen a través de un material conductor son los electrones (cargas negativas). Este flujo se conoce como flujo de electrones. Se podría pensar que el flujo convencional siendo erróneo podría causar problemas. Sin embargo con cualquiera de los flujos se llega a las mismas respuestas, por lo que cualquiera de los dos flujos es válido. Actualmente el flujo convencional de corriente es el preferido por instituciones educativas y en la industria, además es el utilizado para todos los diseños y dispositivos eléctricos y electrónicos.

2.1 FUENTES DE VOLTAJE Se había mencionado anteriormente la definición de una fuente de energía como aquella que suministra un flujo de electrones a través de un circuito. Todo circuito requiere de por lo menos una fuente de energía para desarrollar su función. Las fuentes de energía pueden ser tanto de voltaje como de corriente. Una fuente de voltaje es aquella que produce a su salida una diferencia de potencial constante, que no depende del valor resistivo de una carga. A continuación se muestra el ejemplo más sencillo de una fuente ideal de voltaje Figura 2-1 (de resistencia interna igual a 0).

14

10V 100 Ω

I=.1A

I

10V

I=2mA

I

5kΩ 10V

I=2mA

I

RL

Figura 2-1 Fuente ideal de voltaje

Para cada uno de los ejemplos corresponde un valor de corriente que fluye a través de la resistencia, para el tercer caso el valor de la corriente variara en función del valor de la resistencia que coloquemos. Se puede observar que aunque la corriente cambia, el voltaje se mantiene constante. En el ejemplo anterior se hizo uso del término fuente de voltaje ideal. Se dice que es ideal porque la fuente se ve como un elemento que genera una cantidad de voltaje, sin embargo no se toma en cuenta que también presenta una resistencia interna Figura 2-2. Esta resistencia interna genera una caída de voltaje interna muy pequeña, por lo que el voltaje reflejado en la carga será ligeramente menor que el de la fuente ideal.

RL >= 100RS

RS

Figura 2-2 Resistencia interna de la fuente

La resistencia interna de la fuente, regularmente es tan pequeña que para efectos de cálculos, no es necesario tomarla en cuenta, en el caso que la resistencia produzca alguna caída considerable se tomará en cuenta. La resistencia interna de una fuente se ignorará cuando sea al menos 100 veces menor que la resistencia de carga. Cualquier fuente que satisfaga esta condición recibe el nombre de “fuente de voltaje constante”.

15

𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒: 𝑅𝑆 < 0.01𝑅𝐿 La mínima resistencia de carga que se puede utilizar para mantener una fuente constante, a partir de la expresión matemática anterior es:

𝑅𝐿(𝑚 í𝑛) = 100𝑅𝑆

2.2 FUENTES DE CORRIENTE Una fuente de corriente continua produce una corriente constante por la carga, para diferentes valores resistivos de carga. Una fuente de corriente se puede crear a partir de una fuente de voltaje con una resistencia de fuente elevada. Un ejemplo de una fuente de corriente es la fuente de la Figura 2-3 con un una Resistencia de fuente (𝑅𝑆) de 1MΩ y una resistencia de carga menor. La corriente que fluye por la carga será:

RL

Fuente de corriente a partir de una fuente de

voltaje y una resistencia de fuente elevada

RS>= 100RL

1MΩ

1Ω10V

Figura 2-3 Fuente de corriente

𝐼𝐿 =𝑉𝑆

𝑅𝑆 + 𝑅𝐿

𝐼𝐿 =10𝑉

1𝑀Ω + 1Ω= 10µ𝐴

Dado que la resistencia de fuente es 1MΩ, el valor de la resistencia de carga no tendrá algún efecto significante sobre la corriente de carga (𝐼𝐿). La corriente de carga permanecerá constante mientras la resistencia de carga sea lo suficiente menor a la resistencia de fuente, en el caso del ejemplo esto será mientras la 𝑅𝐿 < 10𝑘Ω, después de ese valor comenzará una caída de corriente por la carga, como se muestra en la gráfica de la Figura 2-4.

16

1 100 1 104

1 106

5 106

1 105

1.5 105

Il Rl( )

Rl

Corriente de carga constante para Resistencias pequeñas Figura 2-4 Gráfica “corriente constante”

Al igual que en las fuentes de voltaje, existe el término de fuente de voltaje constante, para fuentes de corriente existe el término “fuentes de corriente constante”. Se considera una fuente de corriente constante cuando la resistencia de la fuente de corriente sea al menos 100 veces superior a la resistencia de carga.

𝑅𝐿 > 100𝑅𝐿 La resistencia máxima que se podrá utilizar como resistencia de carga para una fuente de corriente constante será:

𝑅𝐿(𝑚á𝑥) = 0.01𝑅𝑆

2.3 TIPOS DE CONTROL DE CORRIENTE Son variadas las opciones existentes para lograr el control de corriente eléctrica. Ya sean sencillas o complejas todas se basan en los principios de mencionados anteriormente, pero principalmente en la Ley de Ohm. Se puede lograr un control de corriente muy sencillo por medio de dispositivos que hacen las veces de cargas conocidas como resistencias cuyo valor conocemos o podemos controlar. El control de corriente se puede realizar de una manera más precisa mediante el uso de semiconductores como los diodos, transistores, amplificadores operacionales, etc. El diseño con dispositivos semiconductores tiene a ser complejo, pero las posibilidades de control aumentan, en amplificación de corriente, demanda de potencia, control automático, a través de pequeñas señales, entre otras aplicaciones. La respuesta entre corriente y voltaje para las resistencias y para los semiconductores son distintas. Al tratarse de resistencias nos topamos con elementos lineales cuya relación de corriente es directamente proporcional a su voltaje. Mientras que los semiconductores ofrecen un comportamiento no lineal en la relación voltaje-corriente.

17

La realización de un control de flujo de corriente eficiente requiere del uso tanto de resistencias como semiconductores.

2.4 RESISTENCIA COMO DISPOSITIVO ELECTRÓNICO En el capítulo anterior se hablo de la resistencia, como propiedad que existe en los materiales de oposición al flujo de corriente a través de ellos. Ahora se habla de la resistencia como dispositivo electrónico que comúnmente podemos encontrar en la mayoría de los circuitos eléctricos. Las resistencias son elementos físicos que se colocan como cargas de un valor determinado dentro de un circuito eléctrico, los materiales con que comúnmente son fabricadas de carbón y aleaciones especiales de metal. Al aumentar resistencias dentro de un circuito se puede variar la impedancia de este, según el resultado que se esté buscando, la Figura 2-5 muestra el símbolo utilizado para representar éstos elementos.

Figura 2-5 Símbolo de resistencia

La característica básica de mayor importancia en una resistencia es su valor en ohms, el cual viene escrito sobre la misma resistencia. El valor escrito sobre la resistencia no es el valor real, sólo una aproximación, que oscila dentro del valor que indica la resistencia más un rango de tolerancia. El rango de tolerancia se presenta en porcentajes y nos indica cuanta puede ser la variación entre el valor real y el valor nominal. Por ejemplo para una resistencia con un valor nominal de 100Ω y una tolerancia de 10%, el valor real de la resistencia podrá estar dentro del rango de 90Ω a 110Ω. Las tolerancias comunes son de 20, 10, 5, 2 y 1 %. Otra característica importante en una resistencia es su capacidad máxima de corriente que puede fluir a través de la resistencia. Al existir un flujo a través de un material se genera calor. Este calor se genera dentro de la resistencia, de modo que estos elementos deben tener alguna manera de soportar o disipar el calor generado. Si no se logra hacer cualquiera de de las dos cosas el componente puede dañarse o destruirse e incluso. Una resistencia de menor capacidad a la corriente máxima que un momento determinado puede fluir en el circuito, no debe ser utilizada en tal circuito. La capacidad corriente máxima que soporta una resistencia viene marcada en Watts. El tamaño de las resistencias, varían de acuerdo a la cantidad de potencia que puedan disipar.

18

A) B)

A) Simbolo de resistencia fija

B) Simbolo de tesistencia variable Figura 2-6 Símbolos de resistencia

Las resistencias pueden tienen varias tipos de clasificaciones Figura 2-6, entre estas clasificaciones destaca si pueden ser fijas o variables. Las primeras solo tienen dos terminales y se colocan sobre el paso de corriente. Las resistencias variables, como su nombre lo indica tienen un resistencia que puede ser variada girando una perilla, tornillo o aquello que sea apropiado para su aplicación. Estas resistencias pueden tener una o dos terminales, aunque la mayoría tiene tres. Cuando el dispositivo se utiliza como resistencia variable, se llama reóstato, cuando el dispositivo se utiliza para el control de niveles de voltaje se llama potenciómetro. El símbolo con el que se identifica un potenciómetro se muestra en la Figura 2-6 (b,c). Las terminales de los extremos indican el valor fijo de la resistencia total del dispositivo, mientras que la combinación de una termina terminal externa con la del centro, nos da un valor resistivo dependiendo de su posición. El valor máximo de la variación está limitado por la resistencia total indicada en las terminales externas. El valor de las resistencias fijas o variables viene marcado en su cubierta, cuando se trata de resistencias de gran tamaño el valor puede ser impreso sin dificultad alguna, pero cuando son pequeñas el espacio de impresión es muy reducido por lo que se utiliza un código de colores que se muestran en la tabla.

Color Valor de la

1°cifra significativa

Valor de la 2°cifra significativa

Multiplicador Tolerancia

Negro - 0 1 -

Marrón 1 1 10 ±1%

Rojo 2 2 100 ±2%

Naranja 3 3 1 000 -

Amarillo 4 4 10 000 -

Verde 5 5 100 000 ±0,5%

Azul 6 6 1 000 000 -

Violeta 7 7 - -

http://es.wikipedia.org/wiki/Tolerancia_%28fabricaci%C3%B3n%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Negro_%28color%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Marr%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Rojo

http://es.wikipedia.org/wiki/Naranja_%28color%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Amarillo

http://es.wikipedia.org/wiki/Verde

http://es.wikipedia.org/wiki/Azul

http://es.wikipedia.org/wiki/Violeta_%28color%29

19

Gris 8 8 - -

Blanco 9 9 - -

Dorado - - 0.1 ±5%

Plateado - - 0.01 ±10%

Sin color - - - ±20%

La resistencia eléctrica se obtiene leyendo las cifras como un número de 1 o dos dígitos, luego se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en ohms (Ω), la última franja indica la tolerancia de la resistencia. Por ejemplo si tenemos una resistencia con los colores rojo, rojo, café, dorado el valor de la resistencia será de 220 ohms con una tolerancia del 5%.

2.5 SEMICONDUCTORES Los mejores conductores como el cobre tienen un electrón libre en su órbita exterior, esto significan que se ocupara una menor cantidad de voltaje para que los electrones libres pasen de un átomo a otro. Mientras que los mejores aislantes poseen ocho electrones libres, existe también el semiconductor que es un elemento con propiedades eléctricas entre el conductor y el aislante, por lo que es de suponerse que los mejores semiconductores poseen cuatro electrones libres en su órbita exterior. El silicio y el germanio son dos elementos semiconductores, ambos tienen cuatro electrones libres, haciendo que estos se muevan con dificultad a través de los átomos por lo que no son buenos conductores pero tampoco buenos aislantes. En un principio el germanio fue el semiconductor utilizado, sin embargo tenía algunos problemas, más tarde se utilizo el silicio que es el elemento más abundante en la tierra, dejando obsoleto al germanio en la mayoría de las aplicaciones electrónicas. El semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. El cristal de silicio es un ejemplo de semiconductor puro cuando cada átomo del cristal es un átomo de silicio. Cuando se aplica un voltaje al semiconductor intrínseco, los electrones libres se dirigen hacia la terminal positiva de la fuente y los huecos hacia la terminal negativa. Para aumentar la conductividad de un semiconductor, se añaden átomos de impurezas al cristal intrínseco, a esta acción se le llama dopaje. El semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco. Para aumentar el número de electrones libres se añaden átomo pentavalentes al silicio ejemplos de elementos pentavalentes son el arsénico, antimonio y fósforo, para aumentar el número de huecos libres se dopa el silicio con elementos trivalentes como el aluminio, boro o galio. Cuando el semiconductor extrínseco ha sido dopado con impurezas pentavalentes se le llama semiconductor tipo n (n hace referencia a negativo), en este semiconductor los electrones superan a los huecos. Los electrones reciben el nombre de portadores mayoritarios y los huecos el nombre de portadores minoritarios. Si el semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Gris

http://es.wikipedia.org/wiki/Blanco_%28color%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Color_dorado

http://es.wikipedia.org/wiki/Plateado

20

fue dopado con impurezas trivalentes, recibirá el nombre de semiconductor tipo p (p hace referencia a positivo), en estos lo hueco superan en cantidad a los electrones libres, lo hueco son los portadores mayoritario y los electrones los portadores minoritarios. Por sí mismo tanto el cristal semiconductor n como el cristal semiconductor p tienen la misma utilidad que una resistencia de carbón. Pero sucede algo muy distinto cuando un cristal se dopa de tal manera que una mitad sea tipo p y la otra mitad sea tipo n. La separación o frontera entre el semiconductor tipo p y el semiconductor tipo n se llama unión pn. Con esta unión se han desarrollado toda clase de dispositivos fabricados con semiconductores, como diodos, transistores y circuitos integrados.

2.6 EL DIODO El diodo es un dispositivo semiconductor básico que se forma de la unión de un semiconductor tipo p, con un semiconductor tipo n Figura 2-7. Estos dispositivos solo permiten el paso de corriente en una dirección, mientras que en dirección opuesta impiden el paso de electrones.

Símbolo del diodo

P N

Unión equivalente Figura 2-7 Diodo

En una unión pn Figura 2-8 (a), la existencia de electrones libres del lado n provoca una repulsión de estos haciendo que los electrones libres se dispersen en cualquier dirección, algunos electrones atraviesan la unión quedando en la región p. Al estar en una región con un número elevado de huecos, el electrón termina por caer en un hueco. Al suceder esto el electrón libre se convierte en un electrón de valencia y el hueco desaparece. Cada que una electrón pasa a través de la unión, se crea un par de iones Figura 2-8 (b). Es decir que cada que un electrón pasa de n a p deja un átomo al que le hace falta una carga negativa convirtiéndose en ión positivo y cuando el electrón cae en el lado p, el átomo que lo captura se convierte en ión negativo.

21

-

+-

+

-

+-

+

-

+-

+

-

+-

+

-

+-

+-

+-

+

+

-+

-

+

-+

-

+

-+

-

+

-+

-

+

-+

-+

-+

-

-

+-

+

-

+-

+

--

+

--

+

-

+-

+--

+

+

-+

+

-+

+

-+

-

+

-+

-

+

-+ +

-+

-

-

+-

+

-

+-

+

-

+

-

+

-

+-

+-

+

+

-

+

-

+

-+

-

+

-+

-

+

-+

-+

-

A) B) C)

A) Unión pn

B) Iones en la unión

C) Zona de deplexión

Figura 2-8 Unión PN

Cada pareja de iones positivo y negativo en la unión se llama dipolo. La creación de dipolos implica que desaparezcan un electrón libre y un hueco. Conforme aumenta el número de dipolos, la región cercana a la unión se vacía de portadores recibiendo el nombre de zona de deplexión Figura 2-8 (c). Los dipolos formados poseen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo que lo forman, por lo que si entran electrones libres adicionales en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta por cada electrón que cruza hasta que se alcanza un equilibrio, deteniendo el paso de electrones a través de la unión. El campo eléctrico formado entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada barrera de potencial. Esta barrera indica que a partir de cierto voltaje el diodo funcionara como tal. La barrera de potencial para los diodos de germanio es de 0.3V y para los diodos de silicio es de 0.7V esa barrera de potencial debe ser vencida al aplicarse un voltaje externo.

-

+-

+

-

+-

+

--

+

--

+

-

+-

+--

+

+

-+

+

-+

+

-+

-

+

-+

-

+

-+ +

-+

-

p n

-

+-

+

-

+-

+

--

+

--

+

-

+-

+--

+

+

-+

+

-+

+

-+

-

+

-+

-

+

-+ +

-+

-

p n

A) Polarización directa

B) Polarización inversa

A) B)

Figura 2-9 Polarización de una unión PN

En los diodos existen dos tipos de polarizaciones, la directa y la inversa. En la polarización directa Figura 2-9 (a) Si el voltaje en la fuente es menor que la barrera de potencial, los electrones libres no tienen la energía suficiente para atravesar la zona de deplexión y son empujados de nuevo a la región n, por lo que no hay flujo de corriente a través del diodo. Cuando la fuente de voltaje supera la barrera de potencial, los electrones libres tienen suficiente energía para atravesar la zona de deplexión y recombinarse con los huecos, como este proceso se genera continuamente, existe una corriente continua a través del diodo.

22

Sí se invierte la polaridad de la fuente continua, entonces el diodo esta polarizado en inversa Figura 2-9 (b). En esta configuración la terminal positiva atrae a los electrones libres y la terminal negativa atrae a los huecos; como resultado la zona de deplexión se ensancha. La zona de deplexión crece conforme aumente el voltaje inverso.

Ideal

Polarización directa

Polarización inversa

Figura 2-10 Diodo ideal

Se puede decir que el diodo ideal como el de laFigura 2-10 simplemente conduce corriente cuando se encuentra en polarización directa tal y como un switch cerrado y no conduce cuando se encuentra en polarización inversa tal como un switch abierto. Pero en realidad se debe de tomar en cuenta una resistencia provocada por el material semiconductor y la caída de voltaje provocada por la barrera de potencial en la zona de deplexión. Los diodos admiten valores máximos de voltaje que se les aplica. Sí se alcanza el voltaje de ruptura seguramente el diodo se destruirá. Los diodos no pueden trabajar en la zona de ruptura a excepción del diodo zener que es un diodo de propósito específico.

2.7 TRANSISTORES Una unión p-n, en polarización inversa genera un flujo de corriente nulo a través de ella como una resistencia de un valor muy alto, mientras que en polarización directa permite un flujo de corriente alto dependiendo de la cantidad de voltaje aplicado, tal como una resistencia de valor muy bajo. Un dispositivo tal que pueda generar resistencia baja, a partir de una resistencia alta se logra mediante dos uniones p-n contrapuestas y es conocida como transistor bipolar. Un dispositivo que produce valores de resistencia bajos, a partir de una resistencia alta, genera una ganancia de potencia puesto que 𝑃 = 𝐼2𝑅. El transistor es comúnmente usado como elemento amplificador y de potencia.

23

+++

+

-

+

+

-

+

+ -

+ -

+ -

+ -

+

-

++ -

+ -

p

n

+ -

+

+ -

+

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

++ -

+ -

n

- --

- - -

- - -

+++

+

-

+

+

-

+

+ -

+ -

+ -

+ -

+

-

++ -

+ -

p

n+ -

+

+ -

+

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

++ -

+ -

n

- --

- - -

- - -

A) B)

A) Estructura del transistor

B) zonas de deplexión Figura 2-11 Estructura del transistor

Los transistores tienen tres zonas de dopaje, emisor, base y colector Figura 2-11. Los transistores pueden ser npn, o pnp. Para los transistores npn existe una zona tipo p entre dos tipo n. Dependiendo de la aplicación se utiliza uno u otro, el funcionamiento es el mismo para ambos. El transistor tiene dos uniones, una entre la base y emisor, y otra entre la base y el colector. Cada una de estas es equivalente a un diodo, por lo que un transistor es similar a un par de diodos contrapuestos, diodo emisor y diodo colector. Cada uno de los diodos conserva una zona de deplexión y por lo tanto una barrera de potencial de .7 V.

RS

VBB

RC

VCCn

n

p

VBE

+

-

VCE

+

-

RS

VBB

RC

VCCn

n

p

VBE

+

-

VCE

+

-

RS

VBB

RC

VCCn

n

p

VBE

+

-

VCE

+

-

A) B) C)

A) Transistor polarizado, emisor fuertemente dopado

B) Inyección de electrones a la base

C) Los electrones libres circulan al colector

- - -- - -- - -- - -- - -- - -

- - -- - -- - -- - -- - -- - -

- - -- - -- - -- - -- - -- - -

- - -- - -

- - -- - -- - -- - -- - -

Figura 2-12 Flujo de electrones en el transistor polarizado

24

En la Figura 2-12 (a) se muestra la forma más común de polarizar un transistor. La fuente de la izquierda polariza directamente al diodo emisor, mientras que la fuente de la derecha polariza inversamente al diodo colector. La polarización directa en el diodo emisor permite la inyección de electrones libres del emisor fuertemente dopado a la base, solo cuando la barrera de potencial emisor-base ha sido vencida Figura 2-12 (b). Estando los electrones libres en la base, estos pueden circular hacia la terminal positiva de la fuente a través de Rs, o hacia el colector, donde fluye la mayoría de ellos gracias al débil dopaje de la base y lo estrecha que es Figura 2-12 (c). Una vez en el colector los electrones circulan a través de este, luego a la resistencia Rc y finalmente a la terminal positiva de la fuente de la izquierda. Lo anterior sucede en los transistores tipo npn, para transistores tipo pnp sucede lo mismo, solo que los voltajes de polarización deben ser inversos para que el flujo de corriente sea en dirección opuesta.

IC IC

IB

IE

IB

IEA) B)

A) Flujo convencional

B) Flujo de elctrones Figura 2-13 Flujo de corriente en el transistor

El símbolo del transistor es el que se muestra en la Figura 2-13, las regiones n, son el colector y emisor, la región p es la base. En la misma figura se muestra el flujo de la corriente a través del transistor, la Figura 2-13 (a) muestra la el uso de corriente convencional y la Figura 2-13 (b) para el flujo de electrones. La corriente del emisor es 𝐼𝐸 , la corriente de la base es 𝐼𝐵 y la corriente de colector es 𝐼𝐶 . La corriente de emisor es la suma de las corrientes de base y colector por Ley de Kirchhoff.

𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 La corriente de base siempre es mucho más pequeña que la corriente de colector, por lo general menor que el 1 % de la corriente de colector, por lo que:

𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐶

𝐼𝐵 ≪ 𝐼𝐶

Existen dos factores en el transistor que definen la relación entre las corrientes de colector-emisor y colector-base. Se conocen como alfa de continua y beta de continua respectivamente.

25

𝛼𝑑𝑐 =𝐼𝐶𝐼𝐵

Alfa de continua (𝛼𝑑𝑐 ), es la corriente continua de colector dividida entre la corriente continua de emisor. 𝛼𝑑𝑐 , es un valor ligeramente menor a 1 gracias a que la corriente de colector es casi igual a la corriente de emisor.

𝛽𝑑𝑐 =𝐼𝐶𝐼𝐵

Beta de continua (𝛽𝑑𝑐 ), es la corriente continua de colector dividida entre la corriente continua de base. Se le conoce como ganancia de corriente, porque una corriente pequeña de base, produce una corriente mucho mayor en el colector. Las ganancias típicas para baja potencia son de 100 a 300 y para alta potencia están entre 20 y 100. En la Figura 2-14 se muestra una forma útil de conectar un transistor. Destaca que el lado común de cada fuente está conectado al emisor, la configuración es conocida como emisor común.

RC

RB

VBB

VCC

+

-

VCE

VBE-

+

+ -

+-

Figura 2-14 Configuración emisor común

En el circuito de la base, el voltaje de la fuente 𝑉𝐵𝐵 , polariza en directa al diodo emisor, con una resistencia 𝑅𝐵 limitadora de corriente. El voltaje entre la base y el emisor es 𝑉𝐵𝐸 , para que el diodo emisor se pueda activar, el voltaje 𝑉𝐵𝐵 , debe ser mayor que 𝑉𝐵𝐸 , con la corriente producida por 𝑉𝐵𝐵 y 𝑅𝐵 se controla la corriente de colector. En el circuito del colector hay una fuente de voltaje 𝑉𝐶𝐶 que polariza inversamente al diodo colector, con una resistencia limitadora de corriente 𝑅𝐶 , el voltaje entre el colector y el emisor es 𝑉𝐶𝐸. La fuente 𝑉𝐶𝐶 debe polarizar inversamente al diodo colector, para que el transistor funcione correctamente. La corriente en la base del circuito se calcula mediante la fórmula:

𝐼𝐵 =𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵

El voltaje 𝑉𝐵𝐵 , debe superar la barrera de potencial de .7 V, considerada en 𝑉𝐵𝐸 .

26

El valor de la corriente en el colector se encuentra mediante:

𝐼𝐶 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸

𝑅𝐶

En la Figura 2-15 se muestra las zonas de funcionamiento de un transistor, obtenidas a través de la salida correspondiente de un transistor en configuración emisor común.

IC

VCE

Zona de Ruptura

Zona de Activa

Zo

na

de

Sa

tura

ció

n

Zona de Corte

Figura 2-15 Zonas de funcionamiento del transistor

Las cuatro zonas que destacan son:

Zona de Corte: Esta curva se genera cuando la corriente de base es cero, se considera que no existe corriente a través del colector, aunque exista una pequeña corriente de fuga despreciable.

Zona de Saturación: Es la zona ascendente de la curva donde 𝑉𝐶𝐸 está comprendida entre cero y un poco Voltaje. En esta zona el diodo colector tiene suficiente voltaje positivo para recoger los electrones libres de la base. Los transistores utilizados en circuitos digitales, normalmente funcionan en la zona de saturación y de corte.

Zona Activa: Es la parte horizontal de la curva, representa el funcionamiento normal del transistor. Cuando el transistor se utiliza como amplificador de señal esta es la zona en la que opera.

Zona de Ruptura: Es la zona que se debe evitar, existe cuando una gran cantidad de voltaje en 𝑉𝐶𝐸 es aplicado provocando, un flujo de corriente excesivo que destruye o degrada al transistor.

2.8 AMPLIFICADORES OPERACIONALES Uno de los dispositivos electrónicos más versátiles y de mayor uso en aplicaciones lineales es el amplificador operacional (op amp). Su uso simplifica el diseño de circuitos electrónicos, además que cuentan con circuitos de protección internos.

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Los primeros amplificadores operacionales, eran tubos de vacío de alta ganancia diseñados para realizar operaciones matemáticas de adición, sustracción, multiplicación, división, diferenciación e integración. Al conectar varios amplificadores operacionales se podían resolver ecuaciones diferenciales. Actualmente los amplificadores operacionales, son circuitos integrados lineales, que trabajan a bajos voltajes, son excelentes amplificadores para voltaje de DC, realizan operaciones matemáticas y tienen una diversificación extensa de aplicaciones. Aunque los amplificadores operacionales se pueden utilizar para resolver operaciones matemáticas, actualmente es preferible hacer estas operaciones en computadoras digitales debido a su velocidad, precisión y versatilidad. Los amplificadores operacionales se emplean en el campo del acondicionamiento de señales eléctricas entre etapas analógicas y digitales. Sin embargo por su utilidad se extendió a los campos de control de procesos, comunicaciones, computadoras, fuentes de potencia, de señales, pantallas de visualización y sistemas de prueba y medición. El símbolo de amplificador operacional básico se representa con una punta de flecha que representa alta ganancia y apunta, de la entrada a la salida, en dirección del flujo de la señal. Las terminales básicas son cinco: dos para la alimentación, dos para las señales de entrada y una para la salida. La estructura interna de un amplificador operacional es compleja, pero no es necesario saber acerca de ella para utilizarlos. Los componentes externos conectados al amplificador operacional son los que determinan el desempeño del sistema.

+v

-v

Ro=0 Ω

Vo

Io

Rin=∞Ω

Rin=∞Ω

Ed

Figura 2-16 Amplificador operacional ideal

El amplificador operacional ideal tiene ganancia y respuesta en frecuencia infinita Figura 2-16. Las terminales de entrada no consumen corriente de la señal de entrada ni de polarización y presentan una resistencia de entrada infinita. La impedancia de salida es de cero ohms. Los voltajes de la fuente de alimentación no tienen límite. A continuación se explica el funcionamiento de cada una de las terminales del amplificador operacional:

Terminales de alimentación: se identifican como +V y –V, son las terminales que deben ser conectadas a la fuente de alimentación. La terminal común de

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las fuentes pueden ir conectadas a tierra, ver Figura 2-17. Algunos amplificadores operacionales usan solo una fuente de alimentación.

+v

-v

Vo

Amplificador operacional, alimentado por una fuente bipolar

Punto en común aterrizado

Salida conectada a resistencia de carga, o etapa posterior

Salida

Figura 2-17 Alimentación del amplificador operacional

Terminales de salida: Se conecta a una resistencia carga RL o alguna etapa posterior. El amplificador operacional consta de una salida única. La salida entrega un nivel de corriente y voltaje, el primero entre los 5 y 10 mA y el segundo depende de la fuente de alimentación. El límite superior de Vo se denomina como voltaje de saturación positivo, +Vsat, y el límite inferior se denomina voltaje de saturación negativo, -Vsat.

Terminales de entrada: Hay dos terminales de entrada identificadas como - y +. Se denominan terminales de entrada diferencial ya que el voltaje de Salida Vo depende de la diferencia de voltaje entre ellas, Ed, y la ganancia como se muestra en la Figura 2-17 es AOL (Ganancia en lazo abierto). Cuando se trabaja en lazo abierto (sin conexión de la salida con ninguna de las entradas), el voltaje de salida estará dado bajo la siguiente regla: Sí la entrada (+) es mayor que la entrada (-), la salida será mayor que la tierra en +Vsat. Sí la entrada (+) es menor que la entrada (-), la salida será menor que tierra en –Vsat.

𝐸𝑑 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + − 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (−)

Para está ecuación los voltajes de entrada se miden con respecto a tierra. El signo que resulte para Ed significa la polaridad de la entrada (+) con respecto a la entrada (-); y la polaridad de la terminal de salida con respecto a tierra. Esta ecuación es válida si la entrada inversora está puesta a tierra, si la entrada no inversora se encuentra también puesta a tierra, y sí ambas se encuentran por encima o por debajo del nivel de tierra. En las siguientes figuras se puede apreciar el Vo, respecto a Ed.

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+v

-v

Vo=AOLEd=+Vsat

A) Vo es positivo cuando la entrada (+) es más positiva que

la entrada (-) (por encima de ésta), Ed=(+)

RL

Ed

V+ entrada

V- entrada

+v

-v

Vo=AOLEd=-Vsat RL

Ed

V+ entrada

V- entrada

+

_

+

_

+

_

+

_

B) Vo es negativo cuando la entrada (+) es menos positiva

que la entrada (-) (por abajo de ésta), Ed=(-)

Figura 2-18 Voltaje de salida con respecto a la entrada en el amplificador operacional

Observando la Figura 2-18 (a, b) anteriores, se nota que Vo está determinado por Ed y por la ganancia de voltaje en lazo abierto, AOL llamada así porque las conexiones de retroalimentación de la salida para alguna de las entradas se dejan abiertas, por lo que Vo se puede expresar de la siguiente manera: 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 × 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑧𝑜 𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜

𝑉𝑜 = 𝐸𝑑 × 𝐴𝑂𝐿

El valor de AOL es excesivamente alto, comúnmente de 200,000 o más. Sí se toma en cuenta que Vo no puede exceder los voltajes de saturación positivo o negativo +Vsat, –Vsat. Para un voltaje de alimentación de ±15 Volts, los voltajes de saturación estarían alrededor de los ±13 Volts. Por lo tanto, si se desea que el amplificador operacional actué como tal, Ed debe limitarse como máximo a ±65 µV. puesto que:

𝐸𝑑 𝑚á𝑥 =+𝑉𝑠𝑎𝑡

𝐴𝑂𝐿=

13𝑉

200,000= 65𝜇𝑉

−𝐸𝑑 𝑚á𝑥 =−𝑉𝑠𝑎𝑡

𝐴𝑂𝐿=

−13𝑉

200,000= −65𝜇𝑉

Lograr los niveles de Voltaje anteriores, es muy complicado ya que a la señal les afectada por el ruido inducido incluso mayor a la señal, lo que se traduce en una saturación en Vo. Para mantener Vo dentro de los limites +Vsat, –Vsat, hay que recurrir a

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un circuito de retroalimentación que obligue a Vo, a depender de elementos de precisión tales como resistencias y capacitores.

31

Capítulo 3 LAZO DE CORRIENTE DE 4-20 mA.

Este capítulo se habla de lo que es un sistema de control, de cada una de las partes que lo forman. Pero enfocándose principalmente al envío de señales desde el campo automatizado hasta el controlador de procesos.

3.1 SISTEMAS DE CONTROL Automatización es el uso de sistemas de control mediante dispositivos mecánicos o electrónicos, para la sustitución de operadores humanos en algún proceso. La automatización desempeña un papel vital en el avance de la ingeniería, Además se ha vuelto una parte integral en los procesos industriales y de manufactura. Se define como control, el proceso mediante el cual se ajusta, limita o regula acciones o conductas. En Automatización y en ingeniería de control un sistema de control es un dispositivo o conjunto de dispositivos que ajustan, comandan o regulan directamente el comportamiento de otros dispositivos o sistemas. Actualmente el control automático está muy relacionado con las ingenierías eléctricas y computacionales, tal y como ocurre con los circuitos electrónicos con los que fácilmente se pueden describir técnicas de control. La ingeniería de control se encarga del modelado de sistemas (como un sistema mecánico) y el diseño de controladores, provocando que estos sistemas se comporten de la manera deseada. Los controladores para un sistema de control pueden no ser eléctricos, sin embargo frecuentemente se utilizan circuitos eléctricos, procesadores digitales de señales y microcontroladores, en la implementación de los sistemas de control, debido al amplio rango de aplicaciones para los que son fabricados hoy en día. En el análisis de sistemas de control existen términos básicos que se deben entender de la siguiente manera:

Variable controlada: Cantidad o condición que se mide y controla.

Variable manipulada: Es la cantidad o condición que se modifica para afectar el valor de la variable controlada:

Planta: Es la parte o conjunto de partes de un equipo, cuyo propósito es ejecutar alguna operación particular.

Perturbación: Es una señal que tiende a afectar negativamente el valor de la salida de un sistema.

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3.2 TIPOS DE CONTROL En teoría de control existen dos tipos de control básico, el uso de alguno de ellos, así como su complejidad depende directamente de los requerimientos de la aplicación. Estos son el lazo de control cerrado (lazo de control realimentado) y el lazo de control abierto (no realimentado).

3.2.1 SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO El control de lazo abierto, también llamado controlador no realimentado son aquellos sistemas en los que la salida no afecta la acción del control. En un sistema de control de lazo abierto no se observa la salida de los procesos que se están controlando. Como consecuencia un sistema de lazo abierto no llega a ser una máquina que aprenda como corregir errores o compensar anomalías en el sistema, como pudiera hacerlo un sistema de lazo cerrado. Un lazo de control en lazo abierto es práctico en un sistema bien definido, donde la relación entre la entrada y la salida puede ser modelada por una fórmula matemática y sí no existen perturbaciones internas ni externas. Los controladores de lazo abierto se utilizan frecuentemente en procesos sencillos por su simplicidad y bajo costo, y en los que la retroalimentación no es crítica. Los elementos del sistema de control en lazo abierto se pueden dividir en dos partes: El controlador y el proceso controlado. En la Figura 3-1 se muestra un diagrama a bloques de un sistema de control en lazo abierto.

ControladorProceso

controlado

Entrada de

referencia

Señal

actuante

Variable

controlada

Figura 3-1 Diagrama a bloques de un sistema de control en lazo abierto

En el diagrama de la Figura 3-1 se aplica una señal de entrada al controlador, a su salida actúa como señal actuante que controla el proceso controlado. De esta forma la variable controlada se comporta dependiendo de la señal de entrada.

Un ejemplo típico de control de lazo abierto es el diagrama de bloques de la Figura 3-2, donde una señal de entrada alimenta a un amplificador. La salida del amplificador es proporcional a la amplitud de la señal de entrada. La fase (para un sistema de AC) y la polaridad (para un sistema de DC) de la señal de entrada, determinan la dirección que tomara el eje del motor. Después de la amplificación, la señal alimenta al motor que

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mueve su eje (carga) en la dirección correspondiente y no para, hasta que la señal de entrada sea removida o se vuelva cero. Este sistema usualmente requiere de un operador que controle la velocidad y dirección de movimiento de la salida variando la entrada. El control de entrada pudiera ser eléctrico o mecánico.

Amplificador MotorSeñal de

entrada

Señal

amplificada

Salida

al ejeCarga

Figura 3-2 Diagrama básico de sistema de control en lazo abierto

3.2.2 SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO En los sistemas de control de lazo abierto hace falta un elemento para que estos sean más exactos y adaptables, este elemento es una realimentación desde la salida hasta la entrada del sistema. Para mejorar el control del sistema, la señal controlada debe realimentarse y ser comparada con la entrada de referencia, y se debe enviar una señal actuante tal que sea proporcional a la diferencia de la entrada y la salida, para corregir los errores que se puedan presentar. Estos sistemas se conocen como sistemas de control en lazo cerrado.

Controlador

Sensor de referencia

+

-

Proceso

controlado

Entrada de

referencia

Referencia

de señal

de error

Realimentación

Señal de

salida

Señal

actuante

Figura 3-3 Sistema de control en lazo cerrado

La realimentación del sistema de lazo cerrado Figura 3-3, produce una reducción de errores entre la entrada de referencia y la señal de salida. Sin embargo la reducción de errores es solo uno de los efectos de la realimentación, ya que también tiene efectos sobre características como estabilidad, sensibilidad, ganancia total e impedancia. Los sistemas de control en lazo cerrado tienen distintas clasificaciones dependiendo de su propósito. Se pueden clasificar en sistemas lineales y no lineales, variantes e invariantes en el tiempo, sistemas de control continuo y sistemas de control discretos (muestreados digitalmente), entre los más importantes.

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Los sistemas lineales no existen en la práctica, ya que todos los sistemas físicos presentan algún grado de no linealidad. Los sistemas de control realimentados son modelos ideales fabricados por el diseñador para simplificar el análisis y el diseño. Al usar componentes con características lineales, por lo menos en un rango de magnitudes para las señales, entonces el sistema es lineal. Pero cuando las magnitudes de las señales rebasan el rango de operación del componente, el sistema deja de considerarse lineal. En algunos casos de sistema de control se llegan a introducir características no lineales de manera intencional, para mejorar el desempeño y lograr controles más efectivos. Cuando los parámetros de un sistema de control son invariantes con respecto al tiempo, se dice que se trata de un sistema invariante con el tiempo. En la práctica, la mayoría de los sistemas físicos tienen elementos que varían con el tiempo. Un sistema en tiempo continuo es aquel en que las señales son funciones de la variable continua de tiempo. Dentro de los sistemas de control en tiempo continuo, las señales se clasifican en señales de corriente alterna (ca) y corriente directa (cd). Los sistemas de ca emplean algún esquema de modulación, mientras que un sistema de control en cd, implica que la señal no esté modulada pero siga siendo de ca. Los sistemas de control en tiempo discreto o de datos muestreados, se diferencian de los sistemas de control continuo en que en uno o más puntos del sistema, la señal se encuentra en forma de código digital. Los sistemas de control en tiempo discreto se clasifican a su vez en sistemas de control de datos muestreados y sistemas de control digital. Los sistemas de control de datos muestreados son una clase general de sistemas en tiempo continuo, en estos la señal se presenta en forma de pulsos de datos. Un sistema digital se refiere al uso de una computadora o un controlador digital en el sistema, de tal forma que las señales están en código digital tal como el binario. En un sistema de control digital se agregan algunas etapas que comunican nuestro sistema digital con él, las variables y entorno físico. El siguiente diagrama Figura 3-4 muestra un sistema de control en lazo cerrado con bloques agregados que son convertidores Analógico a digital (ADC) y convertidores digital-analógico DAC.

Computadora / controlador

digitalDAC

Proceso

controlado

ADCSensor de

referencia

Entrada digital Señal de salida

Figura 3-4 Sistema de control digital

35

El diagrama esquematico de la Figura 3-5, representa un sistema de control digital en lazo cerrado para controlar la temperatura de un horno eléctrico. En este sistema la temperatura se mide mediante un termómetro (dispositivo analógico). La temperatura analógica es convertida a un dato digital mediante un convertidor A/D (Convertidor analógico digital), después es introducida a un controlador mediante una interface. Dentro del controlador la temperatura se compara contra una temperatura ingresada mediante un programa y si existe alguna diferencia (error) el controlador envía una señal al calefactor, a través de una interface, un amplificador y un relevador, para que la temperatura del horno se ajuste al valor deseado.

Horno

eléctrico

Convertidor A/D

AmplificadorRelevador

Interface

Interface

Entrada

programada

Termómetro

Figura 3-5 Sistema de control de temperatura, control de lazo cerrado

3.3 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS Los sistemas de adquisición de datos, se encargan de tomar un conjunto de variables físicas y convertirlas a señales eléctricas, para medir sus cantidades (voltajes, resistencias, frecuencia) y utilizarlas posteriormente en algún proceso. La adquisición de datos puede ser tanto analógica como digital. Un sistema analógico se define como una función del tiempo. Los sistemas digitales manejan datos en forma digital, ya sea por pulsos discretos y discontinuos. Un sistema de adquisición de datos analógico consta de los siguientes elementos:

Transductor: Convierte una variable física en una señal eléctrica.

Acondicionador de Señales: para amplificación, modificación y selección de partes de las señales.

Dispositivos de presentación visual: para hacer el monitoreo de la señal de entrada.

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Instrumentos de registro de gráficas: permite llevar un registro de los datos de entrada.

Instrumentación en cinta magnética: Permite guardar y conservar la forma eléctrica original para su posterior análisis.

Un sistema de adquisición de datos digital incluye alguno o todos los elementos mostrados en la siguiente imagen, Figura 3-6:

Transductor Acondicionador Multiplexor Convertidor ADC Registro

Sistema

programador

Figura 3-6 Elementos del sistema de adquisición de datos digital

Transductor: Convierte una variable física en una señal eléctrica.

Acondicionador de Señales: para amplificación, modificación y selección de partes de las señales.

Multiplexor: Acepta múltiples señales analógicas y las conecta secuencialmente en el instrumento de medición.

Convertidor: Transforma la señal analógica en una forma aceptable para el convertidor analógico-digital.

ADC: Convertidor analógico-digital, que convierte una señal de voltaje en un dato digital.

Registro: almacena los datos arrojados por el ADC para un proceso posterior.

Sistema programador: controla diversas partes dentro del sistema de adquisición de datos.

Los sistemas de adquisición analógicos se utilizan cuando se requiere trabajar con un ancho de banda amplio y cuando se puede tolerar un margen de error en la exactitud. Los sistemas digitales en cambio se utilizan cuando se requiere de exactitud alta y bajo costo por canal.

3.3.1 CONVERTIDOR ANALOGICO-DIGITAL (ADC) En gran cantidad de sistemas electrónicos resulta conveniente efectuar las funciones de regulación y control automático de sistemas mediante técnicas digitales, sin embargo son muchos los casos en que la señal que se ocupa este solo en formato analógico, por lo que es necesario realizar su conversión analógica a digital, además una señal digital es menos susceptible a distorsión producida por las imperfecciones en el sistema de transmisión. El convertidor analógico-digital es un circuito electrónico que convierte una señal continua como un voltaje o resistencia a un valor digital, como el código binario, código grey o complemento dos. Previo al convertidor analógico-

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digital suele existir toda una etapa para adecuar la señal analógica al rango de operación del convertidor. Los convertidores analógico-digital poseen varias características que los diferencian entre sí para el tipo de aplicación en que sean más útiles. Estas características son: Resolución, tipo de respuesta ya sea linear o no linear, exactitud y rango de muestreo. La resolución de un convertidor indica la cantidad de valores discretos que pueden ser producidos a partir de un rango de valores analógicos. Los valores usualmente son almacenados en forma binaria, por lo que la resolución se expresa en bits, como consecuencia el número de valores discretos o niveles se expresa en una potencia de dos. Para un convertidor de 8-bits se puede codificar la entrada analógica en uno de 256 valores distintos, es decir 28 = 256 para un entero sin signo, o −128 a 127 para un entero con signo. La resolución es igual a la amplitud del rango de voltaje total divido por el número de intervalos discretos.

𝑄 =𝑉𝑇

2𝑀=

𝑉𝑇

𝑁

Donde Q es la resolución en muestras de voltaje, VT es la amplitud del rango total de la señal de voltaje, M es la resolución del ADC y el número de intervalos disponibles estará dado por 𝑁 = 2𝑀 . La mayoría de los convertidores analógico-digital son del tipo linear, a pesar que el proceso de conversión analógico-digital no sea un proceso linear. El término linear utilizado aquí significa que para un rango de valores de entrada corresponderá un rango de valores e salida con un relación linear a cada valor e salida. Los convertidores no lineales tienden a incrementar su rango dinámico de operación, por ejemplo para una señal de voz habrá regiones con niveles sumamente bajos o casi cero, que cargaran con mucha más información que las regiones con alta amplitud, en este caso un ADC no linear tendrá mayor resolución en regiones con amplitudes bajas y menor resolución en amplitudes altas. Los ADC, pueden presentar ciertas fuentes de error. El error de cuantización existe debido a la resolución finita del ADC, este error es medido en unidades LSB (bit de menor significancia), en un ADC de 8 bits, el error de cuantización de un LSB es 1/256 de la señal en escala completa, o cerca del 0.4% , este error se debe a que la magnitud de la señal de entrada en el instante de muestreo, se encuentre entre cero y la mitad del bit de menor significancia. Otros errores afectan a la exactitud del ADC, como el error de no linealidad cuando se supone que el ADC es lineal, este error se produce debido a imperfecciones físicas y puede ser corregido con la calibración del ADC; El error de apertura existe cuando se trata de digitalizar una señal a frecuencias muy altas. Las señales analógicas son continuas en el tiempo, al convertirlas en un flujo de datos digitales se requiere definir un rango en el cual los valores digitales serán muestreados

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de la señal analógica. El rango para los valores es conocido como frecuencia de muestreo del convertidor. Una señal con un ancho de banda variante puede ser muestreada para almacenarla y después reproducir la señal original a partir de las muestras, por medio de alguna fórmula matemática de interpolación. La exactitud de la señal reproducida dependerá del error de cuantización y su fidelidad con respecto a la original dependerá de que su frecuencia de muestreo haya sido por lo menos dos veces la frecuencia mayor de la señal original, esto es conocido como el Teorema de muestreo de Shannon-Nyquist. Un muestreo hecho a una frecuencia mucho mayor que la propuesta por Nyquist, puede provocar el efecto de sobremuestreo, en el que aumenta la cantidad de ruido blanco en la señal digitalizada que si se hubiese muestreado en una frecuencia baja y con algún filtro para evitar ruido en la señal. Cuando una señal es muestreada a una frecuencia menor que la máxima de la señal, el resultado puede ser un reflejo de la señal original a una frecuencia menor. Este efecto es conocido como aliasing. Un ADC práctico no puede realizar la operación instantánea de conversión, el valor de entrada es sostenido durante un tiempo constante mientras se realiza la conversión (este tiempo es conocido como tiempo de conversión). Las entradas de circuitos denominadas sample and hold, realizan la tarea anterior, en algunos casos es un capacitor el que retiene el valor del voltaje analógico y usando un switch se desconecta el capacitor de la entrada. Entre las estructuras más comunes para la implementación de Convertidores Analógico-digital se encuentran: ADC de conversión directa o flash, ADC de aproximaciones sucesivas, ADC de comparación de rampa, ADC Sigma-delta. El convertidor flash contiene un banco de comparadores de rangos de voltaje alimentando algún circuito lógico que generará la codificación de cada rango de voltajes. Un convertidor de aproximaciones sucesivas, usa un comparador para dividir rangos de voltaje, hasta llegar a un rango de voltaje final; Este convertidor trabaja comparando constantemente la entrada de señal contra la salida de un convertidor digital-analógico. Un ADC comparador de rampa, compara constantemente una señal diente de sierra contra el nivel de voltaje de la señal de entrada; durante un tiempo establecido por un contador que arrojará el código digital de la señal de entrada. El convertidor sigma-delta realiza un sobre muestreo de la señal de entrada por algún factor elevado, después filtra la banda de la señal deseada; La señal obtenida es convertida con un ADC tipo flash y la señal obtenida es realimentada y sustraída de la entrada por un filtro; Como características este convertidor reduce errores que se presentan en otros convertidores y aumenta la resolución a la salida.

3.3.2 CONVERTIDOR DIGITAL-ANALOGICO (DAC) Una vez hechas las operaciones de control es necesario llevarlas a cabo por medio de algún actuador analógico, sobre el elemento físico de control, lo que obliga a realizar

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una conversión de la señal de control digital a una señal analógica. Un convertidor Digital-Analógico (DAC) es un dispositivo que recibe información digital codificada (usualmente código binario) y lo convierte en un nivel de señal para corriente, voltaje o carga eléctrica. Un DAC básicamente convierte números finitos en una cantidad física, usualmente voltaje. La salida de voltaje normalmente es una función lineal del número de entrada. Estos números son actualizados de manera uniforme mediante algún indicador como una señal de reloj; cada que un nuevo valor es actualizado este se representa de manera física y se sostiene en su valor hasta que el siguiente número digital sea convertido. La salida de un DAC es una secuencia de pulsos con valores constantes. Los DAC son el comienzo de una señal analógica, por lo que poseen características básicas que definen la calidad de la señal producida. En primer lugar se tiene la resolución que es el número de posibles niveles que el DAC podrá reproducir y usualmente dependen de la cantidad de bit que utilice el DAC, el número de niveles corresponden a una potencia de dos de los bits utilizados. Por ejemplo un DAC de 1 bit generará 2niveles es decir 21 , mientras que un DAC de 8 bits generará 256 niveles 28. El rango dinámico es una característica que se relaciona con la resolución de un DAC, esta medida indica la diferencia entre la mayor y la menor señal que el DAC puede reproducir y usualmente esta expresada en decibeles. La frecuencia máxima de muestreo en un DAC determina la capacidad máxima del DAC para generar señales analógicas, debido al teorema de muestreo de Shannon-Nyquist, una señal deberá ser muestreada por lo menos al doble de su frecuencia máxima. Las tecnologías conocidas y utilizadas comúnmente para DAC electrónicos son: DAC por Modulador de ancho de pulso (PWM), DAC de sobremuestreo, DAC de carga binaria, DAC de escalera (R-2R), DAC híbridos. Un DAC por modulador de ancho de pulso es el más simple de estos convertidores. Su funcionamiento consiste en interrumpir y permitir el paso de una señal de voltaje o corriente estable que pasa por un filtro pasa bajas, durante un tiempo determinado por el valor binario a convertir. Un DAC de sobremuestreo involucra una técnica de modulación delta-sigma, utilizada tanto para ADC y DAC, que permite realizar dispositivos de alta resolución y altos rangos de respuesta a bajo costo. El DAC de carga binaria contiene una resistencia o fuente de corriente por cada bit del DAC que ha sido conectado, la suma de estos valores genera la salida deseada; son de una respuesta rápida, pero pobres en exactitud ya que ocupa mucha precisión para cada uno de los niveles individuales de voltaje y corriente y regularmente solo se encuentra en resoluciones de 8 bits. El DAC en escalera R-2R, utiliza un arreglo de resistencias conectadas en cascada, con valores de R y 2R; Este tipo de convertidores son lentos cuando crece demasiado la estructura de resistencias. Los DAC híbridos son combinaciones de dos o más tecnologías para obtener mejores resultados y abaratar costos.

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3.4 LAZO DE CORRIENTE DE 4-20mA Al observar en un sistema de control en lazo cerrado, podemos encontrar que la entrada de este corresponde al valor deseado de la variable que se quiere controlar, ya sea temperatura, nivel de líquido, velocidad, etc.; La salida será el actuador que afectara el estado de la variable que se está controlando, y como retroalimentación será común encontrar sensores, que tomen el estado actual de la variable a controlar en el sistema. El tipo de sensor depende de la variable que se controla, la exactitud de la medición, la frecuencia de medición y el tipo de salida que el sensor utilice, para presentar los datos al controlador. Dependiendo del tipo de sensor que se maneje se obtendrá un tipo de señal a su salida. Cuando la salida del sensor es analógica, es típico encontrarla en rangos de voltaje o en rangos de corriente, al tratar con señales analógicas de voltaje es común enfrentarse a ruidos inducidos en la señal y caídas de voltaje, sobre todo al utilizarse en ambientes industriales. Sin embargo es posible minimizar el ruido aislando el cable por el que se transmite la señal, práctica que no es recomendable si se desea transmitir la señal a través de distancias muy largas. La transmisión de señales analógicas a través de corriente reduce los errores producidos por la inducción de ruido en el voltaje. Cuando se manda una señal en corriente a través de distancias muy largas se produce una pérdida de voltaje proporcional a la longitud del cable, la cual no afecta a la magnitud de la corriente. Un método común de transmisión de información de los sensores en muchos procesos industriales de monitoreo es el lazo de corriente de 4-20mA. La transmisión de una señal a través de distancias muy largas se hace necesaria cuando la variable o variables que se desean monitorear se encuentran distribuidas en distintos puntos del campo del que se lleva a cabo algún proceso de automatización, por ejemplo uno o varios tanques contenedores de agua, de los que se requiere saber el nivel de líquido y es necesario utilizar sensores a distancias de 20 metros.

3.4.1 COMPONENTES DE LAZO DE CORRIENTE DE 4-20mA Un circuito de lazo de corriente de 4-20mA, consta de por lo menos 4 elementos: un sensor/transductor, un convertidor de voltaje a corriente también llamado transmisor o acondicionador de señal, una fuente de alimentación para el lazo, y un receptor/monitor. Figura 3-7 Componentes de un lazo de corriente.

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ProcesoTransductor

Transmisor Fuente de lazo Receptor

4-20mA

Figura 3-7 Componentes de un lazo de corriente

Los sensores proveen una salida de voltaje cuyo valor representa la variable física que es medida (por ejemplo, un termopar es un tipo de sensor que provee un nivel de voltaje muy bajo a sus salida, que puede ser proporcional a la temperatura a la que es sometida). El transmisor amplifica y acondiciona la salida del sensor, luego convierte el voltaje a un nivel de corriente directa en un rango de 4-20mA, que circula en serie a través de un lazo cerrado. El receptor/monitor, normalmente es una sección o parte de un medidor o sistema de adquisición de datos, que convierte la corriente entre 4-20mA de regreso a voltaje, el cual podrá ser utilizado en algún proceso posterior. La salida en el transmisor es de corriente y es proporcional a la variable física sensada. Se establece que para un lazo de corriente de 4-20 mA: 4mA será la correspondencia a uno extremos de la variable física sensada y 20mA corresponde al extremo opuesto. La Figura 3-7 muestra un ejemplo, en este 0oC corresponden a 4 mA y 100oC corresponden a 20 mA. La fuente de alimentación de lazo, generalmente proporciona, cualquier requerimiento de energía tanto al transmisor como al receptor, u algún otro componente del lazo. Una fuente de 24 Volts, llega a ser un valor de voltaje muy utilizado en aplicaciones de monitoreo de 4-20 mA, además que 24 Volts es un voltaje utilizado para la alimentación de otros elementos e instrumentos electromecánicos. También existe el lazo alimentado por fuentes 12 Volts, ya que es un voltaje típico para sistemas en los que se utilizan computadoras.

3.4.2 ESTÁNDAR DE NORMA LAZO DE CORRIENTE DE 4-20 mA La norma lazo de corriente de 4-20 mA tiene su origen en “The American National Standards Institute (ANSI)” Y “The Intrumentations Systems, and Automation Society (ISA)”. Estás instituciones cuentan con numerosos documentos referentes a la transmisión de señales, incluyendo la norma 4-20 mA que puede ser obtenida del ANSI/ISA-S50.1-1982(R1992) Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments.

42

3.4.3 Transmisor 4-20mA Dependiendo de los elementos disponibles para energizar, tanto en el trasmisor como en el receptor, será el tipo de clasificación que corresponda al lazo de corriente. Las figuras siguientes muestran los lazos de corriente básicos. Figura 3-8 Tipo 2

Transmisor

Fuente de

Alimentación

Lazo

+

Tipo 2 (Figura 3-8): es un transmisor de 2 hilos, por los que se provee energía y se extrae la corriente proporcional a la variable sensada. Se considera al transmisor como flotante, ya que la fuente de alimentación se encuentra en el receptor así como la señal de tierra. La fuente de alimentación opera de 5V a 30V y existe un consumo mínimo de 4mA correspondientes al valor inicial de la variable sensada. El uso de 2 hilos facilita la instalación, pero demanda una electrónica más compleja en el transmisor. Tipo 3 (Figura 3-9): Es un transmisor de 3 hilos, en el que se alimenta al transmisor por un hilo adicional, otro hilo corresponde al lazo de corriente y el tercer hilo es común entre el transmisor, la fuente y el receptor. En este modo se obtiene una electrónica más simple en el transmisor, por el uso de un hilo adicional en las conexiones Tipo 4 (Figura 3-10): Este transmisor es el resultado de la combinación de los dos anteriores. Se tiene un transmisor alimentado con una fuente de corriente y un receptor con carga flotante.

Figura 3-9 Tipo 3

Fuente de

Alimentación

TransmisorLazo

+

Figura 3-10 Tipo 4

Lazo

Fuente de

Alimentación

Transmisor

Tipo 4

+

43

3.4.4 Receptor 4-20 mA La parte receptora del lazo de corriente obtiene el nivel de lazo que se tiene y lo convierte en algún dato útil para su posterior utilización en el sistema. Regularmente el receptor convierte el lazo en un equivalente a voltaje y este a su vez pasa por algún convertidor AD, que proporcione el dato digital. En la mayoría de los procesos, el receptor suele representar para el lazo una carga resistiva.

3.4.5 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LAZO DE CORRIENTE DE 4-20mA El lazo de corriente presenta características que lo definen y limitan en un rango de operación, estás características dependen de la cantidad de voltaje que lo alimenta y la cantidad de voltaje que necesita el lazo para operar en función a la distancia del lazo y la resistencia que presente el receptor más la que genere el cable de lazo.

3.4.5.1 Caídas de voltaje en el lazo Una de las especificaciones más importantes en un receptor de lazo (alimentado por el lazo o por algún dispositivo fuera de este), es la resistencia total que este presenta para la salida del transmisor. La mayoría de los transmisores especifican la resistencia máxima de lazo, para la cual pueden generar un lazo de corriente a su salida máxima de 20mA. Por medio de la ley de ohm es posible encontrar la caída de voltaje a través de la resistencia de carga en el generador, multiplicando la resistencia por la corriente que en esos momentos pasa por él, a través de ella.

𝑉 = 𝑅𝐼

Donde V será la caída de voltaje en Volts, I la corriente que pase a través de la resistencia en amperes, y R la resistencia del receptor en Ohms (Ω). La suma de las caídas de voltaje ocasionadas por los elementos en serie en el lazo de corriente y consumo del transmisor y en ocasiones del receptor (si dependen de una misma fuente de alimentación) debe ser igual al voltaje de alimentación. Por ejemplo para una aplicación de lazo alimentado por una fuente de 24 Volts Figura 3-11, que contiene una resistencia de lazo de 250 Ω, la caída máxima de voltaje en el lazo será:

𝐶𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 = 250Ω × .020𝐴 = 5𝑉

Proceso

+

-

+

-20mA 2

50Ω5V

Figura 3-11 Cálculo de caída de voltaje

44

3.4.5.2 Rango máximo de transmisor Teniendo en cuenta el concepto de caída de voltaje, para un lazo alimentado por una fuente de 24V, en el que el voltaje mínimo de operación del transmisor es de 8V y la caída producida por el lazo y el receptor es de 4V, es lógico preguntar por los 12V restantes. Los 12V extra son absorbidos completamente por el transmisor ya que la mayoría de los monitores/receptores, contienen únicamente una entrada puramente resistiva, en ocasiones combinada con diodos zener, para controlar la caída del voltaje. Los transmisores usualmente operan con un voltaje máximo y un voltaje mínimo. El voltaje mínimo es el que se requiere para la correcta operación del transmisor, mientras que el voltaje máximo está determinado por el rango máximo de disipación de energía, tal y como ocurre con los rangos máximos en los semiconductores.

3.4.5.3 Resistencia del Cable Debido a que los cables de cobre exhiben una resistencia en DC, directamente proporcional a la longitud y diámetro del cable, es necesario considerar el efecto que tiene esta resistencia sobre el desempeño del sistema. En aplicaciones en las que se utilizan dos o más monitores de lazo conectados a distancias muy largas (300 o 600 metros) normalmente se utilizan fuentes de alimentación de 24V, porque muchos transmisores requieren de un voltaje mínimo de alimentación de 8V para su correcta operación. Cuando a estos 8V mínimos se les añade la caída típica de 3-5V ocasionada por cada proceso receptor y las caídas de 2-4V ocasionadas por el cableado del sistema e interconexiones, es requerido un voltaje mínimo de alimentación que fácilmente superará los 16V. La caída de voltaje a través de un cable se puede encontrar, sí se multiplica la resistencia total del cable por la corriente que pasa a través de este. La resistencia total se puede encontrar si se consulta las especificaciones del cable (usualmente es expresada en ohm por cada 1000 pies). En la Figura 3-12 se puede ver un transmisor cuya salida es conectada a un monitor remoto a 660 metros, con una resistencia interna de 40.8Ω por cada 1000 pies (304.8 metros). La caída de voltaje en el transmisor para una salida de 20mA es igual a:

𝑉 = 20𝑚𝐴 40.8Ω

1000𝑝𝑖𝑒𝑠

𝑉 = 20𝑚𝐴 81.6Ω = 1.63𝑉

Para este caso, la corriente viaja 2000 pies a la etapa del receptor y de ahí se retroalimenta otros 2000, para regresar a la terminal + del transmisor, recorriendo un total de 4000 pies, por lo que la caída total, tomando como referencia el cálculo anterior, será:

𝑉 = 1.63𝑉 × 2 = 3.26𝑉

45

Está caída de voltaje se suma a la caída del lazo de 5 V, ocasionando una caída total de 8.26V. Sí el transmisor requiere un mínimo de 8V para operar, el voltaje mínimo de operación para el sistema mostrado en la Figura 3-12 es de 16.3V.

ProcesoTransductor

TransmisorFuente de lazo Receptor

8V(min.)

-

+

5V

81.6Ω

1.63V

81.6Ω

1.63V

- +

-+

20mA

20mA 24V DC

+

-

2000 pies (660 metros)

Figura 3-12 Efectos de resistencia del cable

3.4.6 CONVERTIDOR DE VOLTAJE A CORRIENTE Las fuentes de corriente controlada por voltaje (VCCS’s) o también conocidas como convertidores de voltaje a corriente, tienen aplicaciones típicas en instrumentos de medición tal y como es el caso para los lazos de 4-20mA, donde el elemento transmisor hace las veces de un convertidor de voltaje obtenida desde el transductor a corriente controlada. Al utilizar amplificadores operacionales para la implementación de convertidores de voltaje a corriente, es posible utilizar dos configuraciones dependiendo, de la necesidad de mantener la carga como flotante o aterrizada. La Figura 3-13 muestra un circuito básico de un convertidor de Voltaje a corriente para cargas flotantes. La carga se encuentra en la trayectoria de retroalimentación, 𝑅𝑆 es una resistencia sensible a la corriente que generará un voltaje proporcional a la corriente en carga.

+

-

-V

+V

IoRS

Carga RL

RBVIN

Figura 3-13 Convertidor de voltaje a corriente para cargas flotantes

46

La resistencia 𝑅𝐵 provee una trayectoria para la entrada y lleva la corriente a cero en los casos en que 𝑉𝐼𝑁 es desconectada o llega a alta impedancia. La ganancia del amplificador fuerza el voltaje a través de 𝑅𝑆, a tomar un valor igual al voltaje aplicado a la entrada no inversora, resultando una función de transferencia de:

𝐼𝑂 =𝑉𝐼𝑁

𝑅𝑆

Los convertidores de voltaje a corriente aterrizados, son amplificadores que sensan tanto la entrada de señal como la diferencia de retroalimentación. La Figura 3-14muestra un convertidor de voltaje a corriente con carga aterrizada y su función de transferencia.

+

-

-V

+V

Io

RS

Carga RL

RF

VIN

RI

RI

RF

Figura 3-14 Convertidor de voltaje a corriente con carga aterrizada


𝑅𝑆

𝑅𝐹

𝑅𝐼

Para: 𝑅𝑆 ≪ 𝑅𝐹 𝑜 𝑅𝐼

Para este circuito se debe de tener en consideración que las dos resistencias 𝑅𝐼, y las dos resistencias de retroalimentación 𝑅𝐹 , deben de poseer una tolerancia de error mínima. Cualquier variación leve provoca errores en la función de transferencia y degrada la impedancia de salida causando que el circuito no se comporte como una fuente de corriente.

3.4.7 CONVERTIDOR DE CORRIENTE A VOLTAJE Para recuperar un dato arrojado por el transmisor de lazo, es necesario que el receptor convierta el lazo a un valor equivalente de voltaje para utilizarlo en otros procesos por ejemplo un DAC para trabajar en con datos digitales.

47

+

-

-V

+V

Vo

RS

Carga RL

RF

IIN

RF

Figura 3-15 Convertidor de corriente a voltaje

En la Figura 3-15 se muestra un arreglo que actúa como un como un convertidor de corriente a voltaje, este dispositivo con resistencia de entrada igual a cero, resistencia

de salida igual a cero y una razón 𝑉𝑂

𝐼𝐼 estable; se caracteriza como una fuente ideal de

voltaje controlada por corriente. La función de transferencia para el circuito es:

𝐼𝑂 = −𝐼𝐼𝑁𝑅𝐹

En el caso de que se tenga una señal de entrada como voltaje, será necesario conectar una resistencia de entrada para cambiar la variable de entrada. Para evitar excesos de voltaje de compensación a la salida, en amplificadores de propósito general, la resistencia de retroalimentación 𝑅𝐹 es por lo general de 100KΩ.

3.4.8 CIRCUITOS DE APLICACIÓN ESPECÍFICA La norma lazo de corriente de 4-20mA, tiene tiempo de considerarse un estándar, para procesos industriales, por lo que es común que fabricantes de circuitos desarrollen soluciones que facilitan la implementación del estándar y permitan flexibilidad al uso del mismo, para obtener un mayor beneficio. La variedad de fabricantes de circuitos es grande, basta con buscar para encontrar numerosas opciones. Aquí se mencionan dos circuitos que permiten generar un lazo de corriente, con la adición de algunos componentes extra.

48

Texas Instruments5 ha desarrollado circuitos para la implementación de lazos de corriente de 4-20mA, orientados al monitoreo con DSPs en lugar del uso de PLCs. Las series de circuitos XTRxxx de TI son convertidores de precisión de voltaje a corriente, diseñados para la transmisión de señales analógicas; Dependiendo de circuito elegido se pueden aceptar señales de 1V o menos tales como los transductores, estos circuitos permite la linealización de la señal mediante la adición de pocos componentes externos sí así se requiere, existen otros circuitos de la misma familia que permiten la entrada de voltajes mayores. Esta familia de circuitos está orientada al desarrollo de sensores con salida 4-20mA (algunos ofrecen salidas mayores), por lo que es posible realizar sensores de acuerdo a las necesidades. Como circuito receptor existe el RCV420 que es un receptor de precisión de lazo de corriente, diseñado para convertir una señal de entrada de 4-20mA en una señal de salida de 0-5V. El circuito puede operar en su manera más básica con una mínima cantidad de elementos. Este tipo de circuitos son una opción si no se desea realizar una gran cantidad de etapas de acondicionamiento y si se requiere reducir espacio. Sin embargo el tipo de aplicación, es la que dicta el tipo de circuitos a utilizar.

5 Texas Instruments: Desarrolladora y comercializadora de semiconductores tecnología computacional,

mejor conocida en la industria electrónica por las siglas TI; ubicada en Dallas, Texas, USA. Fundada en 1930 como (GSI “Geophysical Service Incorporation”) y en 1951 como (TI ).

49

Capítulo 4 USO DE MICROCONTROLADORES Al realizar algún sistema de control en lazo cerrado, es necesario tener etapas controladoras que realicen las operaciones necesarias en base a la entrada y relación de error, para generar una señal de control sobre el proceso a controlar. En automatización la etapa controladora típicamente se realiza mediante dispositivos preparados para recibir directamente señales de control (lazos de corriente, niveles de voltaje) y generar de igual manera alguna salida típica para el control de relevadores, interruptores, motores, etc. La etapa controladora también puede ser realizada por computadoras con las interfaces necesarias para adquirir datos y generar señales apropiadas; dentro de las computadoras se incluyen los microprocesadores y microcontroladores, que reúnen los elementos de una computadora y se encargan de realizar tareas determinadas. Un microcontrolador suele ser más económico que los controladores utilizados típicamente, sin embargo la implementación de alguna solución con el uso de microcontroladores requiere de de mayor tiempo de diseño que con los controladores tradicionales. Un microcontrolador es un circuito integrado programable, que contiene los elementos necesarios de una computadora, se utilizan para controlar tareas determinadas; son computadoras dedicadas por lo que en su memoria solo se encuentra una serie de instrucciones (programa) con las que lleva a cabo su tarea. Suelen ser dispositivos en su mayoría digitales, con algunas entradas y salidas analógicas que le permiten soportar la comunicación con sensores y actuadores del dispositivo a controlar. Debido a su tamaño suelen estar presentes dentro del dispositivo que controlan. Estos dispositivos digitales, se hacen presentes cada vez más para la supervisión, administración, monitoreo y control de varios procesos en la industria, comunicaciones, electrodomésticos y otras áreas de aplicación.

4.1 MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR El concepto de microprocesador y microcontrolador, es distinto aunque uno envuelve al otro. El microprocesador es un circuito integrado, que contiene una unidad de procesamiento central o procesador, el procesador se forma por una unidad de control, ejecuta e interpreta las instrucciones. Las terminales del microprocesador sacan al exterior los buses de dirección, datos y control, para conectase con memorias y módulo de E/S y configurar una computadora

50

implementada por circuitos integrados. El microprocesador es un sistema abierto con el que se puede construir una computadora con las características que se desee. Un microcontrolador se considera un sistema cerrado, porque contiene un microprocesador ya integrado con otros elementos, sufre de limitaciones ya preestablecidas y no se puede modificar. En el diseño con microcontroladores es necesario seleccionar un microcontrolador con características de memoria, líneas E/S, elementos auxiliares y velocidad de funcionamiento, de acuerdo a la aplicación que se vaya a realizar.

4.2 ARQUITECURA INTERNA Un microcontrolador posee todos los elementos de una computadora, pero con características fijas que no pueden alterarse. La Figura 4-1 muestra los elementos principales de un microcontrolador comunicados entre sí un bus de datos. Los elementos principales de un microcontrolador se enlistan como sigue:

Procesador

Elementos de Entrada/Salida : o Comunicación en paralelo o Comunicación serial o Convertidores AD y DA

Elementos de memoria

Elementos de la unidad de control

Elementos auxiliares: o Oscilador o Temporizadores o Watchdog o Interrupciones o Estados de bajo consumo o Comparadores analógicos

Control Entrada Salida Memoria ALU

Watchdog Temporizador InterrupcionesElementos

auxiliares

Escenciales

Bus de datos

Opcionales

Figura 4-1 Elementos esenciales y opcionales de un microcontrolador

La unidad aritmético lógica (ALU), es una sección de la unidad de procesamiento central (CPU) que permite hacer operaciones aritméticas y operaciones lógicas (OR,

51

AND, XOR), con los datos que se proveen. La ALU opera sobre uno o 2 valores llamados operandos y los cambia de acuerdo al operador especificado, por ejemplo:

𝐶 ⇐ 𝐴 + 𝐵

Donde 𝐴 y 𝐵 son operandos, 𝐶 el resultado, + es la operación booleana de OR y ⇐ es el operador de remplazo, la operación se muestra de manera esquemática en la Figura 4-2. Un ALU puede realizar tantas operaciones dependiendo de las líneas de control que tenga, siendo el máximo operaciones 2𝑘 (donde 𝑘 son las líneas de control)). La ALU es un circuito completamente combinacional con entradas 𝐴 y 𝐵 y una salida 𝐶, por lo que no tiene estados internos

ALU

Entrada A Entrada B

Salida C

Líneas de

control

Figura 4-2 Unidad aritmético lógica

Las entradas y salidas de un microcontrolador es una característica de particular interés, estos elementos permiten sensar y medir, algún aspecto del sistema y la generación de una o más señales de control que afecten el sistema de manera deseable. Las señales de entrada pueden ser digitales, en forma de valores binarios, estas señales digitales pueden estar disponibles para el microcontrolador en paralelo o de manera secuencial, siempre que el dispositivo posea de estos periféricos. La transferencia de datos de manera serial es el método más común de transferencia a través de largas distancias, debido al mínimo número de hilos requeridos para la transmisión de datos. En la transmisión serial de datos los unos y ceros lógicos suelen ser representados por distintos niveles de voltaje o corriente, otra forma de transmisión serial es la modulación y demodulación de la señal digital. En la transmisión serial, se debe de conocer donde inicia y termina la información, existen algunos métodos que efectúan la sincronización entre dispositivos, siendo comúnmente utilizadas en la comunicación de microcomputadoras. La primera y más lenta es la transmisión asíncrona en el que el inicio de bytes individuales de un dato, son indicados por la transición o espacio de tiempo correspondiente a un bit; el rango de transmisión de la señal se llama rango de baudios, sus unidades están en bits/segundo, el formato de transmisión RS-232 es un ejemplo de este tipo de transmisión. La segunda opción para transmisión serial, es el método de transmisión síncrona, con la que fácilmente se pueden lograr rangos de datos por encima del millón de bits por segundo; los métodos de transmisión síncrona son utilizados en la comunicación local entre dispositivos maestros y esclavos. La transmisión síncrona da ventajas de velocidad para la transmisión de datos, sobre la transmisión asíncrona, sin

52

embargo requiere de una línea adicional para la transferencia de la señal de reloj encargada de la sincronización de dispositivos. Las entradas y salidas en paralelo, permiten la transferencia múltiple de bits de manera simultánea entre el microcontrolador y algún dispositivo alrededor del sistema. La cantidad de bits que pueden ser transferidos al microcontrolador depende de la cantidad de puertos en paralelo de E/S que este tenga, típicamente los puertos son de 8-bits pero pueden encontrarse puertos con un número menor o mayor de bits. Los puertos de salida en paralelo suelen ser circuitos con algún latch, que retienen el dato escrito por el programa, hasta que exista otra rutina de escritura al puerto. En algunos microcontroladores, los puertos de E/S están vinculados directamente con algún espacio en la memoria del microcontrolador, por lo que la lectura o escritura en el registro equivale al envío o recepción de datos. La configuración de puertos de E/S es flexible dependiendo del tipo de microcontrolador a utilizar este tiene registros de configuración para utilizar cierta cantidad de bits como Entrada o Salida o todo el puerto si es necesario, cuando un microcontrolador comparte sus puertos E/S con alguna otra función también es necesario seleccionar la función que harán cada puerto. Aunque no son considerados directamente como parte de una computadora, las Entradas y Salidas analógicas como ADCs, DACs, PWMs son considerados como parte de los microcontroladores. El tipo de Entrada/Salida que se encuentra con frecuencia en los microcontroladores, son las entradas Analógica/Digital (ADC), suelen tener varios canales, no siempre son los convertidores más rápidos ya que se pueden utilizar ADCs externos. Usualmente los Convertidores Digital/analógico (DAC) no se implementan dentro de microcontroladores, debido a que es relativamente simple implementarlos de manera externa ya sea por medio de salidas en paralelo, serial o alguno con interfaz PWM, dependiendo del DAC que se utilice. La diferencia entre una máquina de estados finitos y una computadora, es la presencia de una cantidad de memoria infinita (idealmente). En la realidad esto no pasa, pero si existe suficiente memoria para que un programa pueda ejecutarse, entonces se cumple el requerimiento. La memoria se vuelve un elemento indispensable de una computadora y por tanto de un microcontrolador. De acuerdo a las capacidades de almacenamiento de datos existen dos tipos de memoria, la memoria de lectura/escritura (RAM memoria de acceso aleatorio), y la memoria de solo lectura (ROM). De la manera más básica, la ROM es una memoria programada eléctricamente, donde el arreglo de bits servirá como un código ejecutable. Las memorias ROM más simples, son no volátiles y retienen su contenido aún cuando se le retire la energía; una variación de la ROM, es la EPROM que permite borrar el contenido de la memoria al exponerla a luz ultravioleta, obviamente poco prácticas para su implementación en desarrollos. Una segunda variación de la ROM es la EEPROM, que permite la modificación eléctrica de la ROM mientras la computadora este operando, y permite retener esos datos cuando el sistema quede sin energía.

53

Este tipo de memoria es utilizada para el almacenamiento de configuraciones o parámetros de información. La memoria RAM existe como Estática y Dinámica. La memoria RAM estática (SRAM) no requiere de una señal de reloj continua que refresque los datos para que permanezcan en la memoria, esto provoca que sus tiempos de acceso sean cortos; Este tipo de memoria consume más energía y requiere de más espacio en el circuito por lo que solo es utilizada cuando se requiere de mucha velocidad. Por otra parte, la memoria Dinámica almacena los datos en cargas (como capacitores) que requieren ser refrescadas cada cierto tiempo, para mantener la integridad de los datos. Su consumo de corriente es menor así como su costo de fabricación, aunque es más lenta que la RAM estática, regularmente es utilizada como memoria principal. Entender la manera en que funcionan los elementos que forman la unidad de control, permite acercarse más al microcontrolador, explotarlo de una manera adecuada e incluso permite el uso de operaciones que directamente no son visibles para el programador. Para entenderla es necesario observar la cantidad de dispositivos que forman al microcontrolador y de qué manera se comunican entre sí; por ejemplo ubicar los registros PC (program counter) que almacenan la dirección de la siguiente instrucción, la ALU, los registros IR (instruction register), los registros de dirección de memoria, registros de memoria de datos, acumuladores y el elemento que los comunica, el bus de datos, cada microcontrolador es diferente por lo que varía su estructura interna y pueden contener más elementos. Los recursos auxiliares son los que cada fabricante añade a cada modelo del microcontrolador, según el área de aplicación al que los orienta, entre los más comunes se mencionan los siguientes:

Oscilador: Genera los impulsos que sincronizan el funcionamiento del sistema.

Temporizadores: Permiten realizar el control de tiempos.

Watchdog: Provoca un reinicio cuando el programa queda bloqueado.

Interrupciones: Son tareas de alta prioridad provocadas por eventos externos e internos que piden ser ejecutados en su momento.

Estados de bajo consumo: El sistema queda congelado o realiza solo tareas básicas y el consumo de energía se reduce al mínimo.

Comparadores analógicos: Verifican el valor de una señal analógica.

4.3 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN El desarrollo de proyectos con microcontroladores exige un trabajo continuo con el hardware para adaptar el circuito microcontrolador al resto de los dispositivos externos que hay que controlar. También requiere del diseño de un programa con las instrucciones precisas para que su ejecución origine el proceso de información para obtener los resultados deseados. Los lenguajes comunes utilizados para la construcción de programas en microcontroladores son: el lenguaje ensamblador y el lenguaje C.

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El lenguaje ensamblador es un lenguaje de bajo nivel, se dice que es de bajo nivel porque sus instrucciones son exactamente las que el procesador sabe interpretar y ejecutar al realizar su conversión a lenguaje máquina. El microcontrolador solamente acepta instrucciones en código binario y el ensamblador facilita la escritura al programador permitiendo expresarlas mediante nemónicos. El lenguaje ensamblador tienen un problema que surge con, la poca potencia que tienen las instrucciones que puede ejecutar el procesador, normalmente los microcontroladores de 8 bits realizan operaciones básicas como sumar, restar, hacer operaciones lógicas (AND, OR, XOR), rotar datos, mover datos de un sitio a otro y algunas instrucciones más. Sí se desean hacer operaciones más complejas como multiplicaciones, es necesario realizar un programa que realice las sumas necesarias. Existen los lenguajes de alto nivel que tienen instrucciones más potentes, como multiplicaciones, divisiones, raíces cuadradas y operaciones más complicadas que las que se pueden realizar con las instrucciones del microcontrolador. Sin embargo el microcontrolador no cambia por lo que las instrucciones de alto nivel se construyen con pequeños programas basados en instrucciones de bajo nivel. Para que el procesador ejecute las instrucciones de un lenguaje de alto nivel se necesita de otro programa que las descomponga en instrucciones de bajo nivel correspondientes, estos programas son llamados compiladores. El desarrollo de programas en lenguaje ensamblador, requiere de un conocimiento profundo de la arquitectura interna del procesador, así como conocimientos de electrónica. El lenguaje C es un lenguaje de alto nivel por excelencia, utilizado en diversas aplicaciones. El uso de lenguajes en C facilita el desarrollo de programas con microcontroladores, pero no exime el conocimiento de la arquitectura interna del microcontrolador y en muchas ocasiones se complementa con el uso del lenguaje ensamblador.

4.4 FREESCALE HC08GP32 Los microcontroladores con arquitecturas de 8-bits son relativamente simples frente a las arquitecturas de 16 y 32 bits. Aunque estos microcontroladores tienen menores características en resolución, velocidad y desempeño en general frente arquitecturas de 16 y 32 bits; debido a su simplicidad y bajo costo, son perfectamente capaces de controlar una gran variedad de dispositivos y realizar una diversa cantidad de aplicaciones. El microcontrolador HC08GP32 de freescale semiconductors, inc6, pertenece a una familia de microcontroladores de 8 bits de esta marca. En especial este microcontrolador reúne características de propósito general que se adaptan a la implementación de gran cantidad de aplicaciones, incluyendo las de tipo industrial.

6 Freescale semiconductors, inc Manufacturadora americana de semiconductores, que surge en el año

2004. Freescale se concentra en la producción de circuitos integrados para el sector automotor, para el sector de embebidos y el mercado de comunicaciones.

55

Este microcontrolador puede ser programado mediante su set de instrucciones en lenguaje ensamblador, o utilizando algún compilador de lenguaje C para esta familia de microcontroladores (actualmente Code Warrior).

4.4.1 CARACTERÍSTICAS Entre las características que destacan en este microcontrolador se enlistan las siguientes:

Frecuencia de bus interna de 8Mhz

Memoria Flash de 32 Kbytes integrada al circuito, con capacidad de ser programada en el circuito.

512 bytes de memoria RAM integrada al circuito.

Módulo de interface serial para periféricos (SPI).

Módulo de interface de comunicación serial (SCI)

Módulos temporizadores de 2 canales de 16 bits (TIM1 y TIM2), con capacidad de selección entre captura de entradas, comparación de salida y generación de PWM.

Convertidor Analógico/digital de aproximaciones sucesivas de 8 canales de 8bits.

Módulo generador de reloj, para cristales de 32Khz.

33 pines de Entrada/Salida de propósito general; 26 de ellos son puertos compartidos y dependiendo del encapsulado pueden existir 5 o 7 pines dedicados de Entrada/Salida.

Entradas de pull-up seleccionables para los puertos A, C y D.

Los puertos tienen una capacidad de corriente de 10mA.

Los pines PTC0-PTC4 tienen una capacidad de corriente de 15mA.

Módulo de tiempo base, con circuitería para pre-escalar el oscilador y crear hasta 8 tipos de interrupciones periódicas.

Puerto de teclado para 8 bits.

Encapsulados de 40 pines (PDIP), 42 pines (SDIP), o 44 pines (QFP).

56

4.4.2 ASIGNACIÓN Y FUNCIÓN DE PINES

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

HC08GP32

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

PTA7/KBD7

PTA6/KBD6

PTA5/KBD5

PTA4/KBD4

PTA3/KBD3

PTA2/KBD2

PTA1/KBD1

PTA0/KBD0

VDDAD/VREFH

VSSAD/VREFL

PTB7/AD7

PTB6/AD6

PTB5/AD5

PTB4/AD4

PTB3/AD3

PTB2/AD2

PTB1/AD1

PTB0/AD0

VDD

VSS PTD5T1CH1

PTD4T1CH0

PTD3SPSCK

PTD2MOSI

PTD1MISO

PTD0/SS

IRQ

PTE1/RXD

PTE0/TXD

PTC0

PTC1

PTC2

PTC3

PTC4

RST

OSC1

OSC2

CGMXFC

VDDA(PLL)

VSSA(PLL)

Figura 4-3 Distribución de pines para el HC08GP32

La Figura 4-3 muestra la distribución de pines para el encapsulado PDIP de 40 pines. Las funciones que pueden llevar a cabo los pines se enlistan como sigue:

VDD, VSS, VDDA(PLL), VSSA(PLL), VDDAD/VREFH, VSSAD/VREFL: Son pines de alimentación y referencia, para el microcontrolador en general, para la alimentación módulo generador de reloj y para la alimentación del módulo analógico-digital.

OSC1 y OSC2: Son pines que permiten la conexión de algún cristal como reloj.

RST: Un 0 lógico en el pin RST, fuerza al microcontrolador a su estado inicial.

IRQ: Pin de interrupción externa asíncrona.

CGMXFC: Conexión externa para un capacitor filtro para el CGM.

PTA7/KBD7-PTA0/KBD0: PTA7-PTA0 son pines E/S de propósito general. Cualquiera de los pines de este puerto también pueden ser programados como interrupciones de teclado (KBD).

PTB7/AD7-PTB0/AD0: PTB7-PTB0 son pines E/S de propósito general que también pueden ser utilizados como entradas del convertidor analógico-digital.

PTC4-PTC0: son pines E/S de propósito general.

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PTD5/T1CH1-PTD0/SS: PTD5-PTD0 son pines E/S con funciones especiales. PTD3-PTD0 son pines que pueden ser programados como interface serial entre periféricos (SPI). PTD4-PTD5 son módulos temporizadores.

PTE1/RXD-PTE0/TXD: PTE0-PTE1 son pines de propósito general que también pueden ser programados como interface serial de comunicación (SCI).

4.4.3 MAPA DE MEMORIA La Figura 4-4 muestra el mapa de memoria del HC08GP32, con las principales divisiones de memoria. Este mapa empieza con los registros de los periféricos con 64 bytes. Le sigue el espacio para la RAM. La ROM le sigue hasta la dirección 0XFE00 donde están los vectores, el programa monitor y registros de control. Entre la RAM y la ROM existe un espacio de memoria no utilizable, en el que se realizan verificaciones de direcciones ilegales.

Registros periféricos

RAM

FLASH

Registros de control

Monitor ROM

Vectores

0x0000

0x0040

0x0240

0x8000

0xFE00

0xFE20

0xFFDC

Mapa de memoria de los

registros periféricos

Página cero, manipulación

directa de bits

0x0100

Página de memoria no

utilizable

Memoria de datos y de

programa direccionable

Figura 4-4 Mapa de memoria de HC08GP32

58

El espacio reservado para la memoria monitor ROM, permite la comunicación del microcontrolador con una computadora mediante una interface serial RS-232. Estando en este modo es posible acceder en cualquier dirección de memoria y ejecutar códigos en RAM bajados por medio de una computadora. Los registros de periféricos permiten la configuración externa del microcontrolador, puertos de entrada/salida, habilitación de entradas pull-up y selección de funciones, si es que el puerto posee funciones compartidas (interrupciones por teclado, interface SCI, SPI, módulo ADC). Mientras que los registros de control permiten la configuración interna de los módulos del microcontrolador. Los registros correspondientes a los vectores, permiten la rápida identificación de la fuente que género una interrupción.

4.4.4 INTERRUPCIONES Una interrupción cambia temporalmente el flujo del programa en ejecución como respuesta a un evento en particular. Las interrupciones no paran las operaciones de la instrucción que está siendo ejecutada, sí no que se ejecuta hasta que se completa la operación de la instrucción. Cuando una interrupción ocurre, la instrucción actual que realizaba el microprocesador (registro CPU) es guardado en una pila, de donde se recuperará al finalizar la interrupción, para continuar con el proceso normal. Debido a que son varias las fuentes que podrían generar una interrupción, estas dividen según su prioridad y si se llegan a ejecutar más de una a la vez, se toma en cuenta a la que tenga mayor importancia quedando guardadas las de menor importancia. Siempre que se completa una instrucción se verifica las interrupciones pendientes. A continuación se muestra una tabla con las interrupciones existentes en este microcontrolador, su prioridad y dirección de vector.

Fuente de interrupción prioridad

direccíon de memoria

RESET 0 0xFFFE-0xFFFF

instrucción SWI 0 0xFFFC-0xFFFD

Pin IRQ 1 0xFFFA-0xFFFB

CGM (PLL) 2 0xFFF8-0xFFF9

TIM1 canal 0 3 0xFFF6-0xFFF7


TIM1 desbordamiento 5 0xFFF2-0xFFF3


TIM2 canal 1 7 0xFFEE-0xFFEF

TIM2 desbordamiento 8 0xFFEC-0xFFED

SPI receptor completo

9 0xFFEA-0xFFEB SPI desbordamiento

59

SPI modo de falló

SPI transmisor vacío 10 0xFFE8-0xFFE9

SCI receptor sobrante

11 0xFFE6-0xFFE7

SCI bandera de ruido

SCI error de cuadro

SCI error de paridad

SCI error de receptor lleno

12 0xFFE4-0xFFE5 SCI entrada para estado idle

SCI transmisor vacío

13 0xFFE2-0xFFE3 SCI transmisor completo

Pin de teclado 14 0xFFE0-0xFFE1

ADC conversión completa 15 0xFFDE-0xFFDF

Tiempo base 16 0xFFDC-0xFFDD

4.4.5 MÓDULO ADC Algunas características ya mencionadas del módulo ADC son las siguientes:

8 canales con entrada multiplexada.

Método de conversión lineal por aproximaciones sucesivas.

8-bits de resolución.

Conversión simple y continua.

Bandera de conversión completa o generación de interrupción.

Reloj seleccionable para el ADC. El módulo ADC provee de ocho pines PTB7/AD7-PTB0/AD0 para el muestreo de una señal externa. Un multiplexor analógico le permite al ADC escoger entre uno de los ocho canales disponibles para la conversión. El voltaje de entrada es convertido mediante aproximaciones sucesivas, cuando la conversión se completa el ADC coloca el resultado en el registro de datos del ADC y activa una bandera para generar una interrupción, sí está habilitada. El tiempo de conversión del ADC se puede encontrar teniendo como datos la frecuencia del ADC, la duración de un ciclo ADC y utilizando la fórmula:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 =16 𝑜 17 𝑐𝑦𝑐𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝐴𝐷𝐶

𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝐷𝐶

4.4.6 MÓDULO DE TECLADO El módulo de interrupción por teclado o KBI provee ocho interrupciones enmascarables externas por medio de los pines PTA0-PTA7. Las interrupciones pueden ser activadas por nivel o transición. Otras características importantes son:

Buffer de histéresis

Sensibilidad de interrupción programable solo para nivel o transición.

60

Permiten la salida de los estados de bajo consumo de corriente.

Sí son configurados como entradas, El puerto Entrada/Salida, permite configurar sus entradas como pull-up.

4.4.7 MÓDULO TIM El módulo para la interface de temporizador TIM, es un temporizador de 2 canales que provee una referencia de tiempo y posee funciones de PWM y entrada y salidas de comparación. El TIM posee las siguientes características:

Dos canales entrada de comparación/ salida de comparación.

Generación de PWM con buffer o sin buffer.

Entrada de reloj programable, con selección de 7 pre-escaladores de frecuencia del reloj interno de bus.

Operación libre o por contador de 16 bits.

Paro de contador y reset de bits

61

Capítulo 5 DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN Normalmente un sistema de control en lazo cerrado está formado por un controlador que recibe a su entrada la diferencia entre una señal de referencia deseada y un una señal de retroalimentación que indica el valor actual del sistema; a su salida existen señales de de control de procesos, que modifican el estado físico de la variable mediante actuadores. Sí el sistema de control en lazo cerrado se aplica en la regulación de nivel de líquidos en tanques de agua se tendría un esquema como el de la Figura 5-1:

Sensor

de referencia

4-20mA

Proceso

controlado

Controlador PLC

Entrada

programada

Interface modificación

de parámetros

Variable controlada,

tanque de agua

Figura 5-1 Sistema de control en lazo cerrado

Se puede añadir algún elemento externo al sistema de control que modifique el valor de la señal de realimentación. Este elemento arrojara información falsa al controlador, pero, gracias a esto se podrán observar comportamientos en el sistema frente a ciertos niveles, sin la necesidad de elevar la variable a ese punto. Un elemento como el mencionado es un generador de lazo de corriente de 4-20mA, para controladores que utilicen este estándar, su esquema varía del anterior como muestra la Figura 5-2:

62

Lazo de corriente

4-20mA

Proceso

controlado

Controlador PLC

Entrada

programada

Interface modificación

de parámetros

Variable controlada,

tanque de agua

Generador de lazo de

corriente 4-20mA

Figura 5-2 Sistema de control, con entrada de realimentación generada externamente

Sí se coloca un elemento que solamente obtenga los datos arrojados por el sensor, se vería el comportamiento de variable física como una variación de datos. Este elemento es útil en la comprobación de sensores ya instalados en campo y lectura de procesos. Los elementos requeridos son solo el sensor y el monitor. La Figura 5-3 muestra su esquema de conexión:

Sensor

de referencia

4-20mA

Variable sensada

Monitor de señales 4-20ma

Figura 5-3 Monitor de lazo de corriente

63

El elemento generador y monitor es un dispositivo que debe cumplir con ciertas características. Debe operar bajo las condiciones de la norma 4-20mA para la conexión con cualquier dispositivo de la misma norma. De manera general el dispositivo puede verse desglosado en dos partes principales: Generador de lazo y Monitor de lazo. Pero estos no sirven de nada si no existe una manera de manipular el lazo de corriente generado u alguna manera de visualizar el lazo de corriente recibido, para esto se ocupa un control para la modificación de parámetros y un visualizador de las operaciones que se estén realizando. Todo lo anterior debe tener un punto central de comunicación que permite el flujo de datos en ciertos sentidos, esta parte central será un micro controlador de 8-bits, suficiente en resolución y robusto en su desempeño. De lo anterior se genera el diagrama general de la Figura 5-4, las flechas indican la dirección que en que se lleva a cabo la comunicación:

Medición de lazo de corriente

Acoplamiento a lazo de corriente

Microcontrolador GP32

ADC Receptor 4-20mA

DAC Transmisor 4-20mA

Interface de salida

Display

Interface de entrada

Teclado

Alimentación

Lazo de salida

Lazo de entrada

Figura 5-4 Esquema de interconexión interna a bloques

Microcontrolador: Se encarga de la comunicación y control entre todos los elementos del dispositivo.

Interface de entrada: Un teclado o controlador que permite la modificación de parámetros y uso de funciones en el dispositivo, tanto para el generador, como para el monitor.

Interface de salida: Permite visualizar las operaciones realizadas por la interface de entrada, así como los eventos del dispositivo.

Entrada de lazo de corriente: Receptor de lazo de corriente de 4-20mA, que acondiciona la señal y la convierte en un dato digital para su uso en algún proceso.

Salida de lazo de corriente: Genera un rango de corriente de 4-20mA, a partir de un dato binario. La señal de corriente es acondicionada para utilizarla en dispositivos basados en la misma norma.

64

Alimentación: Aparte de energizar el dispositivo, se encarga de generar las referencias necesarias para las etapas analógicas.

5.1 GENERADOR DE LAZO DE 4-20mA Para generar un lazo de corriente, primero es necesario tener un convertidor de voltaje a corriente. El voltaje es generado por un Convertidor digital-analógico DAC, a partir de un dato en código binario, proporcionado en este caso por un microcontrolador.

5.1.1 GENERADOR DE CORRIENTE El convertidor de voltaje a corriente puede ser implementado de varias formas, como anteriormente se comento. Para este caso se escogió el que se construye a partir de amplificadores operacionales y cuya carga esta aterrizada. Partiendo de la función de transferencia:


𝑅𝑆

𝑅𝐹

𝑅𝐼

Para: 𝑅𝑆 ≪ 𝑅𝐹 𝑜 𝑅𝐼

Se quiere obtener una corriente de salida 𝐼𝑂 de 20 mA para un Voltaje de entrada máximo 𝑉𝐼𝑁 de 2V. Y tomando en consideración la condición de 𝑅𝑆 ≪ 𝑅𝐹 𝑜 𝑅𝐼, se escoge un valor resistivo lo suficientemente grande para 𝑅𝐹 , 𝑅𝐼 = 1𝑀Ω.

20𝑚𝐴 =2𝑉

𝑅𝑆

1𝑀Ω

1𝑀Ω

Despejando para obtener el valor de 𝑅𝑠:

𝑅𝑆 =2𝑉1𝑀Ω

20𝑚𝐴1𝑀Ω= 100Ω

Se hace el cálculo para el valor mínimo de corriente de salida 𝐼𝑂 de 4mA para un Voltaje de entrada mínimo 𝑉𝐼 de .4V. El valor será el mismo puesto que solo es una proporción del cálculo anterior.

𝑅𝑆 =. 4𝑉1𝑀Ω

4𝑚𝐴1𝑀Ω= 100Ω

En la Figura 5-5 se muestran el circuito con los valores resistivos apropiados de acuerdo al caculo. Esta configuración es susceptible a pequeñas variaciones en la corriente generada debido a variaciones considerables en los valores de las resistencias 𝑅𝐹 𝑦 𝑅𝐼, cuando estas tienen un rango de tolerancia muy alto. Este

65

problema se puede solucionar utilizando resistencias de precisión, o considerando esta tolerancia en el cálculo.

U3A

LM358P

3

2

4

8

1

10M

RF

10M

RF

10M

RF

100

RS

VCC

100

RF

VIN

CARGA

Io

Figura 5-5 Convertidor de voltaje a corriente

El amplificador operacional utilizado es el LM348P, cuya característica principal es la ventaja de solo energizarlo con un voltaje.

5.1.2 CONVERTIDOR DIGITAL-ANALÓGICO El convertidor de voltaje a corriente, necesita una etapa previa que proporcione el voltaje a convertir. Esta fuente de voltaje es un convertidor digital-analógico de 8 bits, que toma los valores proporcionados por el microcontrolador. El convertidor utilizado es el DAC0800, en operación positiva de baja impedancia que se muestra en la Figura 5-6.

66

DAC0800

1

2

3

4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

14

15

16

RrefRref

10nF

100nF

100nF

-10V

Vref

RL

Entrada_digital1

-10V

V+

-10V

V-

-10V

V+

Vo

0 a 0+IFS RL

Figura 5-6 DAC0800, con salida de baja impedancia positiva

Esta configuración permite obtener 0v en dato 0 (0000 0000) y 2 Volts en el valor máximo (1111 1111). El DAC se alimenta con voltajes de +10V y -10V, ocupa una referencia también de 10V, a su salida esta un amplificador operacional que convierte la salida en el rango de voltaje calculado. La salida de voltaje esta dado por la fórmula:

𝑉𝑂 = 0𝑉 𝑎 0 + 𝐼𝐹𝑆𝑅𝐿

Donde 𝑅𝐿, es la resistencia de retroalimentación para el amplificador operacional e 𝐼𝐹𝑆 esta dada por:

𝐼𝐹𝑆 ≅255

256𝐼𝑅𝐸𝐹

Para valores de 𝑉𝑅𝐸𝐹 = 10𝑉 y 𝑅𝑅𝐸𝐹 = 1𝐾Ω, 𝐼𝑅𝐸𝐹 es igual a:

𝐼𝑅𝐸𝐹 =𝑉𝑅𝐸𝐹

𝑅𝑅𝐸𝐹=

10𝑉

1𝐾Ω= 10𝑚𝐴

Obteniendo el valor de 𝐼𝑅𝐸𝐹 , se puede obtener 𝐼𝐹𝑆 :

𝐼𝐹𝑆 ≅255

25610𝑚𝐴 = 9.96𝑚𝐴

Para una salida de Voltaje de 2V, la resistencia de retroalimentación 𝑅𝐿 debe ser:

67

𝑅𝐿 =𝑉𝑜𝐼𝐹𝑆

=2𝑉

9.96𝑚𝐴= 200.8Ω

La inexactitud en las resistencias provoca ligeras variaciones en el resultado final, así que se puede calibrar 𝑅𝐿 alrededor de su valor 200.8Ω, a la escala máxima del convertidor correspondiente a la salida de voltaje de 2V. La siguiente tabla muestra los niveles de voltaje correspondientes a la entrada binaria del convertidor.

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 Salida V

Escala máxima 1 1 1 1 1 1 1 1 2

Escala máxima-LSB 1 1 1 1 1 1 1 0 1.992

Escala media 1 0 0 0 0 0 0 0 1.003

Escala media 0 1 1 1 1 1 1 1 0.996

Escala mínima +LSB 0 0 0 0 0 0 0 1 0.007843

Escala mínima +LSB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 2 Equivalencia de valores digitales a volaje en el ADC

5.1.3 TRANSMISOR 4-20mA Al unir el convertidor digital-analógico, con el convertidor de voltaje a corriente se logra construir un transmisor de 4-20mA de 3 hilos Figura 5-7. Uno de los hilos es la señal de 4-20mA, los otros dos corresponden a la fuente de voltaje y la tierra común.

DAC0800

1kΩ1kΩ

10nF

100nF

100nF

200.8Ω

U3A

LM358P

3

2

4

8

1

10MΩ

10MΩ

10MΩ

10MΩ

100Ω

lazo fuente tierra

E/S digital

-10V

LM741

-10V

-10V

VCC

-10V

-Entrada digital, códificación binaria

-Conexión de lazo de 3 hilos

-Lazo

-Fuente

-Común o tierra

Figura 5-7 Transmisor 4-20mA de 3 hilos

La etapa utiliza fuentes de alimentación de 10V y -10V para el DAC. Para el convertidor de Voltaje a corriente, la alimentación será la fuente de voltaje del Lazo 12V, 24V y hasta 30 V que son voltajes soportados por el operacional utilizado lm358 y

68

también son rangos de voltaje en los que normalmente operan los dispositivos bajo la norma 4-20mA. El uso de fuentes de alimentación bajas en el convertidor de voltaje a corriente provoca que el lazo de corriente no soporte resistencias de carga demasiado altas; normalmente con una fuente de alimentación de 24 V se soporta una resistencia de carga hasta 3.3KΩ, un rango más que suficiente puesto que las resistencias de carga normalmente se encuentran por debajo de los 200Ω; El uso de fuentes de alimentación bajas también provoca que el lazo de corriente soporte distancias menores.

5.2 RECEPTOR DE LAZO DE 4-20mA La etapa receptora de lazo de corriente se divide en dos bloques, la que acopla el lazo de corriente y lo convierte en un equivalente de voltaje, el segundo bloque es el convertidor de voltaje a un dato binario o bloque ADC. Como bloque de acoplamiento y conversión de corriente a voltaje se utilizo el circuito de aplicación específica RCV420 ya mencionado, como ventaja principal para el proyecto se utiliza por la poca cantidad de elementos a utilizar, la conexión simple con dispositivos de lazo de distintos hilos y su salida de voltaje en el rango de 0-5V para su uso directo con el bloque ADC. De manera interna el RCV420 puede ser visto como un amplificador operacional, a su entrada tiene un arreglo de resistencias de carga para lazo de corriente con un valor de 75Ω Figura 5-8, estas resistencias de carga reciben y acoplan el lazo de corriente, el resto del circuito realiza la conversión de 0-5V de manera interna cuando esta se usa su conexión básica.

10v

Referencia

Vo

(0-5V)1

3

2

4

16

13 5

10

11

14

15

12

RCV out

ComúnComún

10 V+

10 V-

I+

I-

4-20mA

+

-

Rs 75Ω

Rs 75ΩRCV420

Figura 5-8 Conexión básica de RCV420

69

La corriente de entrada es conectada a cualquiera de las entradas I+ o I-, dependiendo de la polaridad de la señal, y regresa a tierra por el tap central en 2. Las resistencias RS balancean la señal de entrada y sensa la corriente que es convertida y amplificada por el amplificador operacional. Es posible proteger la resistencia de entrada ante corrientes excesivas utilizando fusibles, resistencias limitadoras de corriente o algún otro sistema de protección, el RCV420 llega a soportar una corriente continua máxima de 40mA a la entrada sin sufrir daño. El bloque de conversión Analógico-digital o ADC está esta embebido en el microcontrolador, La salida de voltaje del RCV420 entra directamente a uno de los pines configurados como entrada del módulo ADC. El módulo ADC tiene varias entradas representadas físicamente en el puerto B (8 pines) del microcontrolador llamados canales de ADC, la señal entra en este caso al canal 3 (pin 3 puerto B). Dentro del microcontrolador se hace el muestreo y conversión de la señal, el tiempo para completar el proceso de conversión del módulo ADC es de 16 µs. Este módulo está configurado para realizar conversiones continuas y depositar el dato binario en el registro ADR (registro de datos ADC predeterminado). El módulo ADC del microcontrolador opera con un voltaje de alimentación de 5V y es el mismo voltaje que sirve de referencia como voltaje de entrada máximo, el voltaje mínimo es 0V. El bloque de conversión de corriente a voltaje funciona con 10V y -10V. Como elementos adicionales a este Receptor de lazo, se añade una fuente de alimentación para proporcionar voltaje al transmisor o utilizar una fuente externa al transmisor y receptor pero acoplada al lazo.

5.3 INTERFACES DE ENTRADA Y SALIDA Estas etapas permiten al usuario controlar el dispositivo, la modificar parámetros, observar el estado del lazo generado y del lazo recibido. Una de las etapas es un controlador de teclado matricial, la segunda es un display alfanumérico. Ambas etapas están conectadas al microcontrolador, una de ellas arroja datos y la otra recibe comandos del microcontrolador.

5.3.1 CONTROLADOR DE TECLADO MATRICIAL La interface de entrada es un teclado matricial de 15 botones, conectada a un controlador que arroja 4 bits de datos (0-15), más un indicador de botón presionado, estos datos son recogidos por el microcontrolador. El circuito controlador de teclado matricial utilizado es el 74C922. Este circuito es utilizado en su configuración de datos de entrada a bus de manera asíncrona, se utiliza con un teclado matricial 4X4 cuyo mapa de caracteres es el que sigue:

70

X4 X3 X2 X1

Y1 3 2 1 0

Y2 7 6 5 4

Y3 # A 9 8

Y4 E P * Tabla 3 Mapa de caracteres

Como elementos adicionales para el controlador de teclado matricial Figura 5-9, se utiliza un inversor LM7404 y un buffer para mantener los estados aún después de haber presionado el botón.

74LS04D74C922

123456789 10

1112131415161718

10nF

100nF

X

Y

5V

5V

74LS373N

1D3

2D4

3D7

4D8

5D13

6D14

7D17

8D18

~OC1

ENG11

1Q 2

2Q 5

3Q 6

4Q 9

5Q 12

6Q 15

7Q 16

8Q 19

HC08GP32

PTC0

PTC3

PTA_KBD0

Figura 5-9 Esquema controlador de teclado maticial

En el esquema lo conectores X, Y son conectados al teclado matricial sus filas y columnas respectivas; la salida de esta etapa está conectada al puerto C del microcontrolador para el dato y para el bit adicional de botón presionado, va al pin PTA_KBD0, donde se utiliza como interrupción de teclado para recoger el dato cuando se ha presionado un botón.

5.3.2 DISPLAY ALFANÚMERICO El display alfanumérico es una pantalla de 4X16 espacios en los que se presentan distintos caracteres contenidos en pantalla, haciendo referencia a ellos por medio de comandos recibidos del microcontrolador. El display alfanumérico es un dispositivo que solo necesita energizarse y conectar las líneas de comandos Figura 5-10. Las líneas de comandos son 4 y van conectadas al puerto A (PTA7-PTA4) del microcontrolador; los pines de habilitación y dato/comando, son conectados al puerto B (PTB7 y PTB6). Estas dos etapas se energizan con 5V, son etapas completamente digitales. La Figura 5-10 solo muestra las conexiones correspondientes del microcontrolador con el conector de 16 pines del display alfanumérico.

71

DISPLAY

1N4154

5V

10kΩ

Key=A50%

PTA

PTB

PTA7

PTB7

16

1

Figura 5-10 Conexión de display 4X16 caracteres

5.4 MICROCONTROLADOR En el microcontrolador se reparte recursos y periféricos para controlar las etapas de las que está formado el dispositivo, el lenguaje en el que se programan las tareas a realizar se hizo en un compilador de lenguaje C, code warrior. El microcontrolador es energizado con un voltaje de 5V, la referencia para el módulo ADC es de 5V. Las etapas que se comunican con el microcontrolador, llegan a utilizar voltajes que mayores a 5V, pero se comunican con una señal digital o acoplada al rango soportado por el microcontrolador. Se utilizan capacitores de desacoplo en todas las conexiones de alimentación. Se utiliza un oscilador externo para el microcontrolador de 4.91 Mhz. La frecuencia interna o de bus es la frecuencia del oscilador sobre cuatro con esta se genera contadores de tiempo para procesos internos y sirve de reloj para módulos como el ADC.

72

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

HC08GP32

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

PTA7/KBD7

PTA6/KBD6

PTA5/KBD5

PTA4/KBD4

PTA3/KBD3

PTA2/KBD2

PTA1/KBD1

PTA0/KBD0

VDDAD/VREFH

VSSAD/VREFL

PTB7/AD7

PTB6/AD6

PTB5/AD5

PTB4/AD4

PTB3/AD3

PTB2/AD2

PTB1/AD1

PTB0/AD0

VDD

VSS PTD5T1CH1

PTD4T1CH0

PTD3SPSCK

PTD2MOSI

PTD1MISO

PTD0/SS

IRQ

PTE1/RXD

PTE0/TXD

PTC0

PTC1

PTC2

PTC3

PTC4

RST

OSC1

OSC2

CGMXFC

VDDA(PLL)

VSSA(PLL)

PTA

PTB

PTC

PTD

PTE

TIM1

ADC

KBI

Datos display

Dato recibido

Teclado matricial

GND

VCC

Control display

ADC 0-5V

DAC BIT 4-5

DAC BIT 0-3

DAC BIT 6-7

Dato

teclado matricial

GND

VCC

GND

VCC

Figura 5-11 Distribución de recursos en el microcontrolador

Se describen las funciones que realiza cada uno de los periféricos del microcontrolador mostrados en la Figura 5-11:

PTA: PTA7-PTA4 esta sección del puerto A configurada como salida manda comandos y datos, al display alfanumérico para realizar funciones en el display o imprimir caracteres.

PTB: PTB7-PTB6 habilitan la comunicación con el display y permiten escribir nuevos datos o comandos en él, son bits de salida de datos.

PTD: PTD5-PDT4 es un puerto configurado en modo de salida y representan los bits menos significativos de un dato binario de 8 bits, que son conectados a la entrada del convertidor digital-analógico, contienen el valor del lazo de corriente generado.

PTE: PTE1-PTE0 son los bits correspondientes a la parte más significativa del dato binario de 8-bits que es usado para generar el lazo de corriente, también configurado como bits de salida.

PTC: PTC4-PTC0 Este puerto configurado como entrada recibe el dato binario arrojado por el controlador de teclado matricial, es un dato de 4 bits, que representa el botón presionado.

KBD0: Es un pin de entrada que pertenece al puerto como PTA0, que comparte la función de interrupción de teclado. Este pin recibe la señal enviada por el controlador de teclado matricial, cuando ha sido presionado un botón.

73

TIM1: Es una función interna del microcontrolador que se encarga de generar una interrupción cada 1.03 ms para realizar tareas periódicas.

El programa realizado en el compilador de código C Code Warior para microcontroladores freescale semiconductos, inc, contiene la estructura y funciones para realizar el control de periféricos y módulos utilizados. El programa está dividido en distintos archivos, cada uno de ellos contiene secciones de código de acuerdo a su aplicación y se vinculan, con el resto a partir del principal “main.c”.

Main.c: Constituye la estructura principal del programa, incluye librerías para el uso del microcontrolador proporcionadas por el compilador y se vincula con otras librerías y archivos de subprogramas.

Programa.c: Contiene las funciones con las que se vincula la estructura principal, también contiene funciones para el uso del generador y receptor y subfunciones para el manejo de datos.

LCD.C: Contiene funciones de inicialización, envío de comandos y escritura de datos en el display, son solo funciones básicas para su uso en funciones más complejas.

Teclado.C: Contiene funciones para la interpretación de los datos enviados por el controlador y su conversión al comando adecuado en el programa.

Bandera.h: Contiene código para la manipulación de variables bit a bit.

Libpersonal.h: Declaración de variables manipulables bit a bit.

MCUinit.C, MCUinit.h: Creada por el compilador en la que se guarda el código correspondiente a la inicialización del microcontrolador y tareas durante alguna interrupción.

MC68HC908GP32.C, MC68HC908GP32.H: Creada por el compilador, contiene las estructuras y definiciones para la declaración de variables, uso de registros con funciones específicas del microcontrolador.

El código para cada uno de los archivos se agrega en la sección de anexos. Excepto para las librerías MCUinit.h, MC68HC908GP32.C y MC68HC908GP32.H, que son archivos generados por el compilador en los que no se agrego ningún tipo de código.

5.5 ALIMENTACIÓN Cada una de las etapas realizadas necesita un medio para energizarse, los voltajes utilizados por las etapas son a nivel TTL para etapas digitales, como el microcontrolador, display, y teclado matricial, para etapas DAC generadoras de lazo y receptoras de lazo es necesario niveles de voltaje de 10 y -10 V. Los niveles de voltaje se logran utilizando reguladores de voltaje LM7805, LM317 y LM337. El primero genera el voltaje de 5V para etapas digitales, el LM317 regula el voltaje positivo a 10V y el voltaje negativo es regulado por el LM337. Es necesaria una fuente de voltaje mayor de DC para que los reguladores puedan llevar a cabo su

74

función. Este voltaje es de 12 V, para el regulador LM7805 es necesario un voltaje mínimo de 7.5V mientras que para el LM317 es nivel suficiente; para el regulador LM337 es necesaria una fuente de alimentación de -12V más negativa que el voltaje regulado. El voltaje regulado en el LM7805 entra a uno de sus pines y sale en otro de los pines, un tercero se conecta a tierra y no requiere de agregar más componentes; los reguladores LM317 y LM337 son reguladores controlados para lograr un nivel de voltaje en un rango de 1.2V a 37V y -1.2V a -37V respectivamente, estos requieren resistencias externas para controlar la salida de voltaje, el cálculo de estas resistencias obedecen la siguiente formula, para cada caso.

LM317

R1R2

Vin Vout

AjusteEntrada

V+

Salida

V+

Figura 5-12 Ajuste de voltaje para regulador positivo

LM337

R1R2

Vin Vout

AjusteEntrada

V-

Salida

V-

Figura 5-13 Ajuste de voltaje para regulador negativo

𝑉𝑂𝑈𝑇 = 1.25 1 +𝑅2

𝑅1

Para 𝑉𝑂𝑈𝑇 = 10𝑉, con 𝑅1 = 100Ω:

𝑅2 = 𝑉𝑂𝑈𝑇

1.25− 1 𝑅1 =

10𝑉

1.25− 1 100Ω

𝑅2 = 700Ω

𝑉𝑂𝑈𝑇 = −1.25 1 +𝑅2

𝑅1

Para 𝑉𝑂𝑈𝑇 = −10𝑉, con 𝑅1 = 100Ω:

𝑅2 = 𝑉𝑂𝑈𝑇

−1.25− 1 𝑅1 =

−10𝑉

−1.25− 1 100Ω

𝑅2 = 700Ω

La Figura 5-14, muestra el diagrama de componentes utilizados para realizar esta etapa. La etapa puede ser alimentada en su Voltaje positivo por una fuente de alimentación de 12, 24 y hasta 40V, siendo el Voltaje máximo de entrada soportado por el regulador. El uso de fuentes de alimentación altas puede ser aprovechado cuando se ocupa la misma fuente para alimentar al dispositivo y al lazo de corriente.

75

330uF

LM7805CT

LINEVREG

COMMON

VOLTAGE

LM337H

LINEVREG

COMMON

VOLTAGE

LM317H

LINEVREG

COMMON

VOLTAGE

700Ω

700Ω

100Ω

100Ω

-10 Volts10 Volts

5 VoltsGND

-12V

1mF

12V

12V

Figura 5-14 Etapa de alimentación

5.6 IMPLEMENTACIÓN DEL DISPOSITIVO La implementación total del dispositivo se logra al interconectar las etapas desarrolladas anteriormente en función con el programa generado. La Figura 5-15 muestra el diagrama final del dispositivo. En el diagrama las conexiones de teclado matricial están marcadas con los conectores X, Y correspondientes a las filas y columnas del teclado matricial. La etapa de alimentación está conectada internamente y se representa como fuentes de alimentación de 5V, 10V y -10V; existe un conector en el que se conectan los voltajes como referencia. El conector de lazo tiene 3 pines: “loopout” o salida de lazo generado; “vloop” fuente para generar el lazo de corriente que debe estar acoplada con el resto del dispositivo, esta fuente es una entrada para voltaje DC de 12-32V, soportados por el operacional LM358; “loopin” es la entrada del lazo de corriente hacia el receptor, el lazo de corriente debe estar acoplado al dispositivo.

76

Figura 5-15 Esquemático para el dispositivo generador y monitor de 4-20mA

HC08GP32

1234567891011121314151617181920 21

22232425262728293031323334353637383940

100nF100nF

10nF

22pF

22pF

2.2uF

10MΩ

33nF

Key = Space

100nF

100nF

10kΩ

HC-49/US_5MHz

100Ω

100nF

DAC0800

12345678 9

10111213141516

1kΩ1kΩ

10nF

100nF

100nF

10 V -10 V

LM741CN

3

2

4

7

6

51

200.8Ω LM358P

3

2

4

8

1

10MΩ

10MΩ

10MΩ

10MΩ

100Ω

voltaje

5V

5V

5V

5V

5V

5V

5V

RCV420

1 2 3 4 5 6 7 8910111213141516

loopout_vloop_loopin

100nF

100nF

HDR1X16

1N4154

10kΩ

Key=A50%

74LS04D74C922

123456789 10

1112131415161718

10nF

100nF

X

Y

74LS373N

1D3

2D4

3D7

4D8

5D13

6D14

7D17

8D18

~OC1

ENG11

1Q 2

2Q 5

3Q 6

4Q 9

5Q 12

6Q 15

7Q 16

8Q 19

Teclado maticial

LCD 4X16

Receptor de 4 a 20 mA

Transmisor de 4 a 20 mA

77

5.7 OPERACIÓN Y USO DEL DISPOSITIVO GENERADOR/MONITOR DE SEÑALES DE 4-20mA

De manera práctica, el Generador/Monitor de señales de 4 a 20 mA, consta de un control (Teclado matricial), una pantalla de visualización, botones de prendido- apagado, entradas de lazo de corriente, salidas de lazo de corriente y dos formas de alimentación.

5.7.1 TECLADO MATRICIAL

1 2 3

4 5 6

7 8 9

* 0 #

E P A

Entrar en

submenu,

aceptar opción.

Retroceder

menú.

Avanzar menú.

Digitos 0-9.

Punto decimal.

Regresar,

retroceder,

cancelar.

Figura 5-16 Descripción de teclado matricial

E: permite entrar en menús y submenús, así como aceptar valores u opciones. P: permite regresar entre menús. A: permite avanzar entre menús. 0-9: ingresa valores. *: Añade punto decimal en opción de fuente. #: Permite salir de menús, cancelar valores y borrar dígitos.

5.7.2 PANTALLA DE VISUALIZACIÓN Y FLUJO DE PROGRAMA La pantalla de visualización permite operar el dispositivo de 3 formas: Fuente, Monitor y Generador. En la pantalla de visualización, siempre estarán presentes los valores transmitidos y recibidos, Rx se deshabilita al entrar en monitor y Tx se deshabilita al generar alguna señal. La pantalla principal o con la que inicia el dispositivo es la pantalla Fuente, el uso del botón P y A permiten avanzar entre las pantallas y submenús, el uso de del botón E permite seleccionar opciones y entrar en submenús. A partir de la pantalla

78

principal y con el uso del teclado matricial, la transición entre pantallas toma el flujo de la Figura 5-17.

Fuente

Tx 0

Rx 0/\10.68

Monitor

Tx 0

Rx 0Pres. E

Generador

Tx 0

Rx 0Pres E

Salida de corriente 4-20mA Val. max

Val. min

Val. min

Señal

Frecuencia

Offset

Diente de sierra

Ascendente

Descendente

Cuadrada

Nivel

Figura 5-17 Pantallas de visualización y funciones

Las funciones de las pantallas de visualización son las siguientes:

Fuente: En este modo se colocaran valores entre 4 y 20 a través del teclado de dígitos, siendo posible el uso del botón “*” (punto decimal) y “#” para el borrado de dígitos. Se debe tener en cuenta que solo es posible colocar dos centésimas. Ingresar un valor no valido y sumamente grande, provocara una señal basura a la salida del transmisor

Ejemplos: 4, 12, 20, 12.5, 5.65.

Monitor: Este modo permite modificar valores para visualizar en Rx. Al entrar a esta pantalla, se hace la solicitud de Presionar “E” (Pres E), una vez entrado existen 3 opciones que permiten modificar únicamente el valor máximo del lazo de corriente que queremos visualizar en Rx o su valor mínimo.

Al entrar en Valor máximo o valor mínimo se escribe el valor deseado, sin el uso del punto decimal, es decir que si se quiere 4 como valor mínimo, se escribe 4 y si se quiere 500 como valor máximo, se escribe 500, siempre deberá ser mayor el valor máximo que el mínimo, o el dispositivo colocará los valores predeterminados. La opción “Predef” restaurara los valores predefinidos. Al entrar en este modo se deshabilita el monitoreo en Rx.

79

Generador: El dispositivo genera señales de prueba. La primera pantalla pedirá presionar “E” para entrar. Una vez dentro hay un submenú de 3 opciones: señal, frec y nivel. De los cuales solo podremos acceder al primero.

o Señal: Permite elegir la señal a generar, entre las existentes: Diente de Sierra, Ascendente, Descendente, Cuadrada y offset. Se moverá entre las opciones mediante “P” y ”A”, para seleccionar alguna se presiona “E”, o para cancelar la selección “#”. Esta opción no tiene ningún efecto sobre el letrero “Tx 0”. Cuando este modo sea seleccionado la visualización de Tx será deshabilitada.

Generador

Tx 0

Rx 0>DescSeñal

Figura 5-18 Pantalla de señal para generador

o Frec: una vez escogida alguna de las opciones, con excepción de offset, podremos elegir Frec, que modificara la velocidad con que se realiza la función de prueba. Al presionar “P” y ”A” se moverá entre escalas predefinidas hasta alcanzar los limites máximo y mínimo. Para dejar seleccionada alguna de las opciones se presiona “E” o “#”.

Generador

Tx 0

Rx 0>Lim.SFrec

Figura 5-19 Pantalla frecuencia para generador

o Offset, solo cuando se haya seleccionado Offset como señal, será posible acceder a Offset donde se podrá variar el nivel de señal de corriente a la salida mediante los botones “P” y “A”, e igualmente para salir de esta opción se presiona “#” o “E”.

5.7.3 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN Los siguientes diagramas muestran las formas de conexión entre el dispositivo en modo de transmisión o recepción, y algún elemento de lazo de corriente.

80

G

N

D

G

N

D

L

A

Z

O

R

X

L

A

Z

O

T

X

V

C

C

E

X

Receptor, controlador, monitor.

ENTRADA LAZO

VCC EX

+

Figura 5-20 Transmisor alimentado por fuente externa

G

N

D

G

N

D

L

O

O

P

R

X

L

O

O

P

T

X

V

C

C

E

X

TRANSMISOR 4-20 mA externo

+ -

VCC EX

+-

Figura 5-21 Receptor, con fuente de alimentación externa para transmisor externo

81

5.8 RESULTADOS Y OBSERVACIONES Este apartado menciona los resultados obtenidos en la generación y recepción de señales de lazo de corriente. Se explica cómo se genera y obtiene el lazo de corriente y se colocan algunas fórmulas para calcular un valor de lazo a partir de un dato binario y el valor representado en el dispositivo a partir del dato binario generado a partir del receptor de lazo.

5.8.1 TRANSMISOR DE LAZO DE 4-20mA El transmisor de lazo genera una señal de corriente a partir de un dato binario compuesto por 8-bits. Con una resolución de 8-bits se logran 256 valores distintos donde 0 será el valor correspondiente a 0mA y 256 a 20mA. La resolución en cada paso o incremento en 1 de un número binario será de 0.078125 mA debido a:

20𝑚𝐴

256= 0.078125𝑚𝐴

La relación de pasos necesarios para lograr un nivel de corriente deseado es:

𝑁𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 = 𝐼𝑂255

20𝑚𝐴

Donde 𝑁𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 es la cantidad de pasos necesarios e 𝐼𝑂 es el valor de la corriente de salida que se desea generar. Para generar un lazo de corriente de 4-20mA será necesario despreciar los primeros 51 pasos representan los primeros 4mA no utilizables, como se ve a continuación:

51 ∗ 0.078125𝑚𝐴 = 3.984𝑚𝐴

Sí se quiere generar un nivel de corriente de 12mA, primero se calcula la cantidad de pasos necesarios:

𝑁𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 = 12𝑚𝐴256

20𝑚𝐴= 153

Al multiplicar el Npasos por el valor del paso en mA se obtiene:

153 ∗ 0.078125𝑚𝐴 = 11.95312𝑚𝐴 Este resultado no coincide exactamente con los 12mA para el que se hizo el cálculo, sin embargo es un número muy aproximado. Este resultado demuestra la existencia de un error en el dispositivo. Este error es debido a que el paso de 0.078125 es aproximado y la

82

fórmula con la que se calcula la cantidad de pasos dará el valor anterior inmediato al valor deseado, o el valor deseado siempre que no lo rebase el valor de corriente. Por lo tanto cualquier valor podrá ser el valor de lazo de corriente con un rango de error aproximado de -0.078125mA, lo que es igual, a un porcentaje de error del -0.03906%.

5.8.2 RECEPTOR DE LAZO DE 4-20mA El receptor de lazo entrega una señal que es convertida a un dato binario de 8-bits equivalente al valor de la señal con un rango de 4-20mA. Con 8-bits se obtienen 256 pasos para la señal, la resolución de cada paso será mayor que en el transmisor ya que no se desprecian bits:

16

256= 0.0625𝑚𝐴

En este caso la exactitud del valor representado en el dispositivo depende en primer lugar del receptor de lazo de corriente, que este correctamente calibrado y no existan fuentes de ruido a su salida, en segundo lugar será la correcta conversión del convertidor Analógico-digital. El valor de corriente medido se obtiene a través de la fórmula:

𝐼𝐷 =(𝑁𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 ∗ 16𝑚𝐴)

255+ 4𝑚𝐴

Donde 𝑁𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 es la cantidad de binaria arrojada por el convertidor analógico-digital e 𝐼𝐷 , el valor de corriente que el dispositivo mostrará en pantalla. Para una señal de entrada de 12mA el valor binario será 128, entonces el valor a mostrar en el dispositivo será:

𝐼𝐷 = 128 ∗ 16𝑚𝐴

255+ 4𝑚𝐴 = 12𝑚𝐴

En este caso el cálculo fue exacto sin embargo es posible que el dispositivo presente errores ligados al paso mínimo de corriente, por lo que el error en esta etapa podrá ser de +0.0625mA o -0.0625mA, expresado en porcentajes será de +0.3906% o -0.3906%. El dispositivo truncará el valor en sus centésimas, debido a la resolución utilizada en el microcontrolador.

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CONCLUSIONES

La norma lazo de corriente de 4-20mA es un protocolo que tiene bastante tiempo de existir sin sufrir modificaciones, quedando como un estándar para la transmisión de señales analógicas. Esto debido a la simpleza del concepto y la poca cantidad de elementos que son necesarios para construir un lazo de corriente, Además que facilita su uso en áreas de control en las que no se tiene distribuido fuentes para energizar cada uno de los sensores utilizados, en áreas donde los controladores de procesos se encuentran sumamente lejos de las variables a controlar. La inmunidad al ruido que provee la transmisión de señales en corriente es una de las características que se aprovecha al implementar sistemas de control. La implementación de lazos de corriente de 4-20mA en controladores, incrementa su costo en la mayoría de los casos, sin embargo su desarrollo externo o independiente no lo es. Existe una gran variedad de opciones para llevar a cabo el desarrollo de lazos de corriente, desde un diseño rústico a partir de circuitos comunes, como transistores, amplificadores operacionales y redes de resistencias, hasta el uso de componentes analógico/digital y el uso de circuitos de aplicación específica. Estos circuitos en conjunto con otras herramientas dan lugar al desarrollo de aplicaciones que permiten complementar las funciones de los lazos de corriente, que no existen como tal o que buscan un propósito específico no contemplado en dispositivos ya fabricados. Para este proyecto se realizaron etapas a partir de elementos básicos así como de circuitos de aplicación específica. Al escoger entre un circuito de aplicación específica o una etapa con circuitería para lograr la aplicación deseada, se consideran características, limitaciones, factores, ventajas y desventajas entre cada opción. La etapa generadora se realizo a partir de circuitos simples como operacionales, resistencias y convertidores digital-analógico, obteniendo un resultado satisfactorio, sin embargo es necesario tener en cuenta que esta etapa es mucho más sensible a variaciones debidas a los propios componentes, también pudiera verse afectada por ruidos externos y presenta cierto margen de error o inexactitud en el resultado final y suele ocupar más tiempo y espacio en el diseño. La etapa de recepción fue construida a partir de un circuito de aplicación específica que es menos sensible a ruidos externos, ocupa menos espacio y componentes, su exactitud está limitada por las especificaciones del fabricante y es posible calibrar o modificar su rango de operación dentro de los límites de fabricación. El RCV420 fue utilizado, por ser un circuito único como etapa de recepción; sus características de configuración predeterminada permiten tomar el lazo de corriente y generar una salida de 0-5VDC, que es la entrada de uso común para la etapa de conversión analógico digital; por ser un circuito, se ahorra espacio y tiempo en el diseño; su costo en comparación con una

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etapa desarrollada con circuitería básica es similar; finalmente su disponibilidad y existencia es un factor determinante en su uso. La etapa transmisora fue desarrollada a partir de circuitería básica y no con un circuito de aplicación especifica, debido principalmente a que el circuito apropiado para esta aplicación (XTRxxx, transmisor TI) es de muy baja disponibilidad en comparación con el circuito receptor, por su parte la etapa con circuitería básica genera resultados con muy poco margen de error y el costo de implementación es similar al transmisor. El microcontrolador funge en este proyecto y en general donde se utilicen, como un elemento central que permite controlar las etapas periféricas a él. Sin duda alguna el microcontrolador es uno de los elementos de mayor importancia debido a la cantidad de funciones que puede realizar, sin embargo se debe de considerar como una herramienta para el diseño electrónico que ayuda a la integración de las distintas partes proyecto. En este proyecto ayuda en la comunicación de las distintas etapas, pero no quiere decir que sea el que genere una salida analógica de corriente que convierta por sí un señal de corriente en un dato digital. Debido a la arquitectura de 8-bits del microcontrolador y al uso de convertidor digital-analógico también de 8-bits, el dispositivo se ve limitado a una resolución de entrada y de salida, que es suficiente para su uso en sistemas de pruebas aplicados a la medición de nivel de líquidos para este caso y en general para cualquier aplicación con lazos de corriente, donde la resolución no necesita ser grande. Debido al microcontrolador el dispositivo implementado soporta señales de corriente de muy baja frecuencia que sin embargo es suficiente para aplicaciones donde la variable sensada varía su estado en frecuencias bajas, como es el caso del nivel de líquidos. El uso de compiladores en C para programación de microcontroladores, facilita el desarrollo de rutinas complejas que llegan a ser mucho más complicadas al realizarlas en lenguaje ensamblador. A pesar de que los compiladores en C facilitan el desarrollo con microcontroladores, estos no son excusa para no conocer las características que forman al microcontrolador, el conocimiento apropiado del microcontrolador y el uso de compiladores en C permiten explotar los recursos del microcontrolador. Este proyecto se aplica actualmente en un sistema de agua potable para operadores y diseñadores del sistema de automatización en los distintos procesos del manejo de líquidos como extracción y almacenaje de agua. El dispositivo sirve principalmente como instrumento de laboratorio para simular las posibles variables existentes en el campo y así realizar el diseño de control y después implementarlo en campo. También sirve para sensores en campo, el dispositivo es útil en campo por ser portable y presentar el mínimo de conexiones. El dispositivo se ha utilizado con: sensores sumergibles de nivel AMETEK DREXELBROOK de la serie de modelos 750, distintos medidores de procesos de la serie PD690A de DIGITAL PRECISION, PAC (programmable automation controller) cFP-2100 de NATIONAL INSTRUMENTS. El dispositivo puede ser comparado con algunos medidores portables de señales de pruebas, que poseen algunas características similares, como

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ventajas de estos dispositivos son resolución y velocidad de muestreo y como desventaja principal su costo. Sí se quiere mejorar el desempeño del dispositivo, se puede pensar rápidamente en aumentar la resolución y respuesta a señales de frecuencias mayores, siendo así la opción es utilizar un microcontrolador de mayor resolución y velocidad, así como un Convertidor digital-analógico también de mayor resolución. Lo anterior implica en desarrollo la modificación de gran parte de la placa, correspondiente a estos dos circuitos y los elementos que utilizan; también significa volver a generar todo el código que forma el programa que si bien esta en este proyecto es necesario adaptarlo a otro microcontrolador. Otras mejoras a considerar son, el consumo de corriente del dispositivo, adaptarlo para bajo consumo de corriente y considerar la posibilidad de energizarlo con baterías.

86

Capítulo 6 APÉNDICE

A.1 CÓDIGO DE PROGRAMA

MAIN.C

#include <hidef.h> /* habilitación de interrupciones*/ #include "derivative.h" /*incluye declaración de perífericos*/ #include <libpersonal.h>/*Librería personal*/ /*Funciones Globales*/ /* Declaración de function Device initialization*/ void MCU_init(void); /*Funciones Propias. Librería Teclado.c*/ void botones (void); /*Funciones Propias. Librería programa.c*/ void imprime_teclado (void); void Imprime_lazo_Rx (void); void impresion_preliminar (void); void control_menu (void); /*Variables Globales*/ unsigned char PTC_bajo=0; /*parte baja de PTC, aqui se guarda el dato del KYB*/ unsigned char b_car=0; /*respaldo de la tecla presionada en forma caracter*/ unsigned char entrar=0; /*boton entrar, apagado en 0, prendido en 1*/ unsigned char atras=0; /*boton atras, apagado en 0, prendido en 1*/ unsigned char ban_flecha_press=1; unsigned char menu=1; /*contador de las opciones del menu: 0 -> fuente 1 -> monitor

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2 -> generador 3 -> ayuda

*/

unsigned char menu_mon=1; /*contador de las opciones del menu monitor: 1 -> VALOR MAXIMO 2 -> VALOR MINIMO 3 -> REESTABLECER VALORES

*/

unsigned char menu_gen=1; /*contador de las opciones del menu monitor: 1 -> SEÑAL 2 -> FRECUENCIA 3 -> OFFSET

*/ unsigned char num_press=0,contador_num_kyb=0,ban_num_press=0; /*número presionado*/ unsigned char punto=0xFF;//0xFF indicador de que el punto no existe unsigned char dato_arreglo[5]=0,0,0,0,0; int val_lazo=0;//valor de lazo de corriente para transmitir int vmax=2000; //valor de escala maxima para la impresion del lazo recibido 999 maximo int vmin=400; //valor de escala minima para la impresión de lazo recibido unsigned char contador_gen=2,contador_gen2=2; /* 1 seno

2 triangular 3 ascendente 4 descendente 5 cuadrada

6 offset */ unsigned char valor_tx=51; //51 es nuestro valor de 4 ma, nuestro 0 unsigned char ADR_aux=0; void main(void) /*Inicio de Programa*/ MCU_init(); /* habilita interrupciones*/

EnableInterrupts;

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LCD_Init(); impresion_preliminar(); BANDERA_BAN0=1;//menu principal, activo for(;;) __RESET_WATCHDOG(); /* perro guardian*/ botones(); control_menu(); /* ciclo infinito*/ /*Fin de main.c*/

POGRAMA.C

/*Librería de programa*/ #include <MC68HC908GP32.h> /*Librería personal*/ #include <bandera.h> /*Definiciones para programa.c */ #define pos_Tx_LCD 0xC9 //posición de letrero Tx #define pos_Rx_LCD 0xD9 //posición de letrero Rx #define pos_val_LCD 0x92 //posición de valor en el display #define pos_cur_LCD 0xD1 //posición del cursor de fuente en el display /*******************************************************************/ /*Función que manda el valor actual del lazo en 8 bits al DAC externo*/ void transmisor (unsigned char val_tx) //primeros 6 bits de PTD0-PTD5 PTD=val_tx; //PTD=0xFF; PTE=(val_tx >> 6) & 0x03; /*Fin de transmisor*/ /**************************************************************/ /*Funcion para imprimir el cursor*/ void imprime_cursor (void) extern unsigned char contador_num_kyb; if(contador_num_kyb == 5) Comando_LCD(pos_cur_LCD + contador_num_kyb - 1);

89

else Comando_LCD(pos_cur_LCD + contador_num_kyb); Imprime_cadena(" ^ "); /*Fin imprime_cursor*/ /*******************************************************************/ /*Funcion que imprime los numeros presionados del Teclado en pantalla y los convierte en un número, para el programa */ void imprime_teclado (void) extern unsigned char num_press,contador_num_kyb,ban_num_press, entrar, atras;

/* num_press: valor del número que fue presionado contador_num_kyb: contador de posiciones 4 posiciones ban_num_press: marcador de nuevo numero presionado

entrar: marcador de boton E 1: presionado 0: no ha sido presionado atras: marcador de boton # 1: presionado 0: no ha sido presionado */ extern unsigned char dato_arreglo[5]; /*guarda el número en un arreglo, para convertirlo más tarde en un numero*/ extern unsigned char punto;//0xFF indicador de que el punto no existe extern unsigned char valor_tx; extern int val_lazo;//Valor del lazo que se generara unsigned char i=0; int control_decimal=100;// variable que aumenta de 10 en 100 en 100, para obtener un numero decimal int aux_valor_tx=0; //boton <- retroceso. borra numeros previamente presionados if(atras==1) if(dato_arreglo[contador_num_kyb]==0x0C) //el dato es punto, caso especial punto=0xFF;

90

Comando_LCD(pos_val_LCD + contador_num_kyb - 1);//borra el número Imprime_cadena(" "); dato_arreglo[contador_num_kyb]=0;//se limpia el numero capturado if(contador_num_kyb!=0) contador_num_kyb--; //se regresa una posición del contador imprime_cursor(); atras=0;//se limpia el marcador de botón atrás //imprime números presionados en pantalla, uno por uno if(ban_num_press==1) if(contador_num_kyb==5)//deja el cursor en el ultimo carácter contador_num_kyb=4; //posiciona e imprime el número Comando_LCD(pos_val_LCD + contador_num_kyb); if(num_press!=0x0C) Imprime_numero(num_press); else if(punto==0xFF) //si es la primera vez que se presiona el punto, este se imprime Imprime_cadena("."); punto=0x00; else//si ya se ha presionado el punto, entonces se modifica el contador de caracteres para que no sufra modificación alguna contador_num_kyb--; //respaldamos cada dato presionado en dato_arreglo dato_arreglo[contador_num_kyb]=num_press; //se aumenta contador, para modificar la posición del carácter que se imprime contador_num_kyb++; //impresión de cursor

91

imprime_cursor(); //bandera que indica que el número presionado ha sido utilizado ban_num_press=0; if(entrar==1) entrar=0;//apagamos entrar //convertir dato_arreglo a un número para el lazo de corriente if(contador_num_kyb>0) val_lazo=0;//se vacía la variable i=0; while(i<(contador_num_kyb+1)) /* observar condición*/ if(dato_arreglo[i]==0x0C)//detectar posición del punto punto=i; i++; if(punto!=0xFF)/*existe el punto*/ if(punto>0)/*existe parte entera*/ i=punto; while(0!=i)//obtener el número entero val_lazo=dato_arreglo[i-1]*control_decimal+val_lazo; control_decimal=control_decimal*10; i--; if(punto<4) i=punto; control_decimal=10; while(4!=i)//obtener la parte decimal val_lazo=dato_arreglo[i+1]*control_decimal+val_lazo; control_decimal=control_decimal/10; i++; else/*no existe el punto*/

92

i=contador_num_kyb;// contador_num_kyb+1; while(0!=i)//obtener el número entero val_lazo=dato_arreglo[i-1]*control_decimal+val_lazo; control_decimal=control_decimal*10; i--; if(val_lazo<=2000) //Convierte el valor a su proporcional correspondiente de 8 bits aux_valor_tx=255*(val_lazo*0.0005); valor_tx=aux_valor_tx; transmisor(valor_tx);/*mandar valor de lazo de corriente, al transmisor*/ Comando_LCD(pos_Tx_LCD); Imprime_cadena("Tx "); Comando_LCD(pos_Tx_LCD + 3); Imprime_numero(val_lazo); val_lazo=0; Comando_LCD(pos_val_LCD); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena(" ^ "); i=0; while(i<=4)/*reiniciar las variables*/ dato_arreglo[i]=0; contador_num_kyb=0; punto=0xFF; Comando_LCD(pos_val_LCD); i++; /*Fin de Imprime_teclado*/ /**************************************************************/ /*Funcion para imprimir la portada de la pantalla*/ void impresion_preliminar (void) Comando_LCD(pos_Tx_LCD); Imprime_cadena("Tx 0 ");

93

Comando_LCD(pos_Rx_LCD); Imprime_cadena("Rx 0 "); /*Fin impresion_preliminar*/ /*******************************************************************/ /*Funcion que imprime los datos Recibidos en el LAZO DE CORRIENTE */ void Imprime_lazo_Rx (void) float val_lazo_Rx = 0; extern int vmax,vmin; Comando_LCD(pos_Rx_LCD); Imprime_cadena("Rx "); Comando_LCD(pos_Rx_LCD + 3); /* val_lazo_Rx=(ADR*.00392)*1600+400; ecuación original */ val_lazo_Rx=(ADR*.00392)*(vmax-vmin)+vmin; Imprime_numero(val_lazo_Rx); /*Fin de Imprime _lazo_Rx*/ /*******************************************************************/ /*Función modo_monitor, solo imprime cuando detecta cambios en el receptor de lazo */ void modo_monitor (void) extern unsigned char ADR_aux; if((ADR_aux+1)<ADR || (ADR_aux-1)>ADR) Imprime_lazo_Rx(); ADR_aux=ADR; /*Fin de modo_monitor*/ /*******************************************************************/ int captura_numero (int anterior, unsigned char actual) if(anterior<10) // 0 o unidades anterior=anterior*10;

94

else if(anterior<100) //rango 10-99 anterior=anterior*10; else if(anterior<1000) //rango 100-999 anterior=anterior*10; else return anterior; //el numero es lo suficientemente grande, se regresa anterior=anterior+actual; //nuevo número return anterior; /*Fin de captura_numero*/ /*******************************************************************/ /*Funcion menu_monitor permite configurar el monitoreo */ void menu_monitor (void) extern unsigned char b_car; extern unsigned char menu_mon; extern unsigned char ban_flecha_press; extern unsigned char num_press; extern unsigned char ban_num_press; extern int vmax; extern int vmin; /*primer menú de monitor*/ //detectar si se ha presionado el botón 'E', para abrir el primer menú if(b_car=='E' && BANDERA_BAN0==1) b_car=0; ban_flecha_press=1; //para que imprima el primer menú, en la primera impresión BANDERA_BAN1=1; //BANDERA_BAN1 controla el acceso al menú del modo monitor BANDERA_BAN0=0; //desactiva el uso de las flechas en el menú principal

95

//detectar si se ha presionado el boton '#' atras para regresar al menu anterior if(b_car=='#' && BANDERA_BAN1==1) b_car=0; ban_flecha_press=1; //permite imprimir la pantalla principal del menu_monitor menu_mon=1; //reinicia a la opción 1 del submenú BANDERA_BAN1=0; //sale de el submenú BANDERA_BAN0=1; //regresa al menú principal //compara si VMAX es mayor que VMIN, si no deja los valores en 4ma y 20 ma if(vmin>vmax) vmin=400; vmax=2000; //se actualiza una lectura Imprime_lazo_Rx(); /*otros menús*/ //condición para agregar datos, después de teclear enter if(b_car=='E' && BANDERA_BAN1==1) b_car=0; BANDERA_BAN1=0; BANDERA_BAN2=1; //se encuentra en la pantalla de captura if(menu_mon==1) //borra vmax, la primera vez que entre vmax=0; Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(">0 "); if(menu_mon==2) //borra vmax, la primera vez que entre vmin=0; Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(">0 "); if(menu_mon==3) //reestablece a los valores originales de lazo vmin=400; vmax=2000; //automáticamente regresa al menú anterior BANDERA_BAN1=1; //regresa a submenú monitor BANDERA_BAN2=0; //sale de la pantalla de captura

96

if(BANDERA_BAN1==1)/*submenu V.MAX V.MIN UNIDAD VALORES PREDEFINDOS */ switch(menu_mon) case 1: if(ban_flecha_press==1 && BANDERA_BAN2==0) Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena("Val.max"); Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_numero(vmax); ban_flecha_press=0; break; case 2: if(ban_flecha_press==1) //imprime la pantalla de modo monitor Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena("Val.min"); Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_numero(vmin); ban_flecha_press=0; break; case 3: if(ban_flecha_press==1) Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena("Predef "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena("pres E"); ban_flecha_press=0; break; if(BANDERA_BAN2==1)/*-Escribir datos, con el teclado -'E' ingresa número

97

-'#' regresa al submenú monitor */ switch(menu_mon) case 1: if(b_car=='E') b_car=0; BANDERA_BAN1=1; //regresa a submenu monitor BANDERA_BAN2=0; //sale de la pantalla de captura Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_numero(vmax); if(b_car=='#') b_car=0; BANDERA_BAN1=1; //regresa a submenú monitor BANDERA_BAN2=0; //sale de la pantalla de captura //se ha presionado un número if(ban_num_press==1) ban_num_press=0; vmax=captura_numero(vmax,num_press); Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena("> "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_numero(vmax); break; case 2: if(b_car=='E') b_car=0; BANDERA_BAN1=1; //regresa a submenú monitor BANDERA_BAN2=0; //sale de la pantalla de captura Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_numero(vmin); if(b_car=='#') b_car=0; BANDERA_BAN1=1; //regresa a submenú monitor BANDERA_BAN2=0; //sale de la pantalla de captura //se ha presionado un número

98

if(ban_num_press==1) ban_num_press=0; vmin=captura_numero(vmin,num_press); Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena("> "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_numero(vmin); break; /*Fin menu_monitor*/ /*******************************************************************/ /*Función menu_generador. Acceso a generador de funciones con opciones SEÑAL ->senoidal ->triangular ->ascendente ->descendente ->offset frecuencia ->aumentar -disminuir offset -> aumentar -> disminuir */ void menu_generador(void) extern unsigned char b_car; extern unsigned char menu_gen; extern unsigned char ban_flecha_press; extern unsigned char contador_gen,contador_gen2; extern unsigned char valor_tx; extern int val_lazo; //detectar si se ha presionado el botón 'E', para abrir el primer menú if(b_car=='E' && BANDERA_BAN0==1) b_car=0; ban_flecha_press=1; //para que imprima el primer menú, en la primera impresión BANDERA_BAN3=1; //BANDERA_BAN3 controla el acceso al menú del modo generador BANDERA_BAN0=0; //desactiva el uso de las flechas en el menú principal //prepara la pantalla de presentación

99

contador_gen=2; contador_gen2=2; menu_gen=1; //detectar si se ha presionado el botón '#' atrás para regresar al menú anterior if(b_car=='#' && BANDERA_BAN3==1) b_car=0; ban_flecha_press=1; //permite imprimir la pantalla principal del menu_generador BANDERA_BAN3=0; //sale de el submenú BANDERA_BAN0=1; //regresa al menú principal /*otros menús*/ //condición para utilizar los submenús, después de teclear enter if(b_car=='E' && BANDERA_BAN3==1) b_car=0; BANDERA_BAN3=0; BANDERA_BAN4=1; //se encuentra en la pantalla de selección de señal if(menu_gen==1) ban_flecha_press=1; contador_gen=2; Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena("> "); if(menu_gen==2) Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena("> "); if(menu_gen==3) if(contador_gen==6) Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena("> "); else //verifica que este seleccionado offset, como opción BANDERA_BAN3=1; BANDERA_BAN4=0; Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena("Error");

100

/*MENU PRINCIPAL del menú generador*/ if(BANDERA_BAN3==1)/*submenu SEÑAL FRECUENCIA OFFSET */ switch(menu_gen) case 1: if(ban_flecha_press==1 && BANDERA_BAN4==0) Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena("Señal "); Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); ban_flecha_press=0; break; case 2: if(ban_flecha_press==1) //imprime la pantalla de modo monitor Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena("Frec "); Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); ban_flecha_press=0; break; case 3: if(ban_flecha_press==1) Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena("Offset "); Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); ban_flecha_press=0; break; /*Opciones de submenús*/ if(BANDERA_BAN4==1)/*-Escribir datos, con el teclado -'E' ingresa número -'#' regresa al submenú monitor */ switch(menu_gen) case 1: if(b_car=='E') /*ENTRAR*/

101

b_car=0; BANDERA_BAN3=1; //regresa a submenú generador BANDERA_BAN4=0; //sale de la pantalla de captura //valor_tx=51; contador_gen2=contador_gen;//respalda para interrupción //condición para la señal offset if(contador_gen!=6) T1SC_TSTOP=0; //inicia el contador del TIM else //offset, manda el valor bajo para la señal PTD=valor_tx; PTE=(valor_tx >> 6) & 0x03; Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); /*FIN DE ENTRAR*/ if(b_car=='#') /*REGRESAR*/ b_car=0; BANDERA_BAN3=1; //regresa a submenú de generador BANDERA_BAN4=0; //sale de la pantalla de captura Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); /*FIN DE REGRESAR*/ //DETECTAR FLECHA ARRIBA Y FLECHA ABAJO if(ban_flecha_press==1) ban_flecha_press=0;//limpia indicador if(b_car=='A') //flecha arriba b_car=0; contador_gen++; if(contador_gen>6) contador_gen=6; if(b_car=='P') //flecha abajo b_car=0;

102

contador_gen--; if(contador_gen<2) contador_gen=2; //impresión de letrero señal switch(contador_gen) case 1: Comando_LCD(pos_cur_LCD);/*SENOIDAL*/ Imprime_cadena("Seno "); break; case 2: Comando_LCD(pos_cur_LCD);/*TRIANGULAR*/ Imprime_cadena("Sierra"); break; case 3: Comando_LCD(pos_cur_LCD);/*ASCENDENTE*/ Imprime_cadena("Asc ."); break; case 4: Comando_LCD(pos_cur_LCD);/*DESCENDENTE*/ Imprime_cadena("Desc "); break; case 5: Comando_LCD(pos_cur_LCD);/*CUADRADA*/ Imprime_cadena("Square"); break; case 6: Comando_LCD(pos_cur_LCD);/*OFFSET*/ Imprime_cadena("Offset"); break; break; case 2: if(b_car=='E') b_car=0; BANDERA_BAN3=1; //regresa a submenú monitor BANDERA_BAN4=0; //sale de la pantalla de captura Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); if(b_car=='#') b_car=0; BANDERA_BAN3=1; //regresa a submenú monitor BANDERA_BAN4=0; //sale de la pantalla de captura

103

Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); //DETECTAR FLECHA ARRIBA Y FLECHA ABAJO if(ban_flecha_press==1) ban_flecha_press=0;//limpia indicador if(b_car=='P') //flecha arriba b_car=0; //incremento de T1MOD, para aumentar la frecuencia if(T1MOD<60000) T1MOD=1.5*T1MOD; Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena(" "); else T1MOD=65535; //valor máximo del contador Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena("Lim.I"); if(b_car=='A') //flecha abajo b_car=0; //decremento de T1MOD, para disminuir la frecuencia if(T1MOD>90) T1MOD=.66*T1MOD; Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena(" "); else T1MOD=66; //valor máximo del contador Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena("Lim.S"); break; case 3: if(b_car=='E') b_car=0; BANDERA_BAN3=1; //regresa a submenú monitor

104

BANDERA_BAN4=0; //sale de la pantalla de captura Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); if(b_car=='#') b_car=0; BANDERA_BAN3=1; //regresa a submenú monitor BANDERA_BAN4=0; //sale de la pantalla de captura Comando_LCD(pos_cur_LCD-1); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); //DETECTAR FLECHA ARRIBA Y FLECHA ABAJO if(ban_flecha_press==1) ban_flecha_press=0;//limpia indicador if(b_car=='A') //flecha arriba b_car=0; //incremento de T1MOD, para aumentar la frecuencia if(valor_tx==255) valor_tx=51; Comando_LCD(pos_Tx_LCD + 3); Imprime_cadena(" "); valor_tx++; if(b_car=='P') //flecha abajo b_car=0; //decremento de T1MOD, para disminuir la frecuencia if(valor_tx==51) valor_tx=255; Comando_LCD(pos_Tx_LCD + 3); Imprime_cadena(" "); valor_tx--; PTD=valor_tx; PTE=(valor_tx >> 6) & 0x03; val_lazo=valor_tx*7.8;

105

Comando_LCD(pos_Tx_LCD + 3); Imprime_numero(val_lazo); break; /*Fin menu_generador*/ /*******************************************************************/ /*Función control_menu, controla la posición el menú principal y submenús 0 -> fuente 1 -> monitor 2 -> generador 3 -> ayuda */ void control_menu (void) extern unsigned char menu; extern unsigned char ban_flecha_press; switch(menu) case 1: imprime_teclado(); modo_monitor(); if(ban_flecha_press==1) Comando_LCD(0x80); Imprime_cadena("Fuente "); Comando_LCD(pos_val_LCD); Imprime_cadena(" "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena(" ^ "); ban_flecha_press=0; break; case 2: //modo_monitor(); if(ban_flecha_press==1 && BANDERA_BAN0==1) //imprime la pantalla de modo monitor Comando_LCD(0x80); Imprime_cadena("Monitor "); Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena(" Pres E"); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena(" "); ban_flecha_press=0;

106

menu_monitor(); //entrar en menú break; case 3: if(ban_flecha_press==1 && BANDERA_BAN0==1) Comando_LCD(0x80); Imprime_cadena("Generador "); Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena(" Pres E "); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena(" "); ban_flecha_press=0; menu_generador(); modo_monitor(); break; case 4: if(ban_flecha_press==1) Comando_LCD(0x80); Imprime_cadena(" SAPAL "); Comando_LCD(pos_val_LCD-1); Imprime_cadena("Automatizacion"); Comando_LCD(pos_cur_LCD); Imprime_cadena(" 4-20mA"); ban_flecha_press=0; break; /*Fin control_menu*/

6.1.1 LCD.C

/*Librería para LCD 4 renglones X 16 columnas "DISPLAYand731"*/ //Definiciones para LCD #define RS_D 0x80 #define RS_C 0x7F #define BUSFREQ 0x02 #define USCOUNT 0x0E #define USDELAY BUSFREQ*USCOUNT //librerías de Microcontrolador

107

#include <MC68HC908GP32.h> //memoria reservada #pragma DATA_SEG SHORT MY_ZEROPAGE /* place following variables into zeropage */ unsigned char Contador; #pragma DATA_SEG DEFAULT //Declaración de Variables globales volatile unsigned char contador; /*******************************************************************/ //Función Espera de 1 ms void Wait1ms(void) asm PSHA LDA #BUSFREQ DLLoop: DBNZA DLSub BRA DLDone DLSub: MOV #0xFF,Contador here1: STA COPCTL DBNZ Contador,here1 BRA DLLoop DLDone: PULA /*Fin de waint1ms*/ /*******************************************************************/ void Toggle(void) /*mantiene estado en la línea E de (LCD). */ PTB &= 0xBF; /* (BCLR 6,PORTB) AND */ Wait1ms(); PTB |= 0x40; /* (BSET 6,PORTB) OR */ /*Fin de toggle*/ /*******************************************************************/

108

void WaitNms(int n) /* This function waits for N ms. */ int i; for(i=1;i<=n;i++) Wait1ms(); __RESET_WATCHDOG(); /*Fin de waitnms*/ /*******************************************************************/ void LCD_Init(void) /* Inicialización LCD */ /* DDRA = 0xF0; Inicialización de puertos, se hace desde Device initialization DDRB = 0xC0; */ PTB = 0x40; PTA = 0x00; WaitNms(15); PTA = 0x30; Toggle(); WaitNms(5); PTA = 0x30; Toggle(); Wait1ms(); PTA = 0x20; /* function set: change to 4 bits format */ Toggle(); Wait1ms(); /* from here, 4-bit format used */ PTA = 0x28; /* function set: display 5x10, 2 lines */ Toggle(); PTA = 0xC0; Toggle(); Wait1ms(); PTA = 0x00; /* display on/off control: display on, cursor off, blinking off */ Toggle(); PTA = 0xC0; Toggle(); Wait1ms(); PTA = 0x00; /* entry mode set */ Toggle();

109

Wait1ms(); PTA = 0x10; Toggle(); Wait1ms(); PTA = 0x00; Toggle(); Wait1ms(); PTA = 0x60; Toggle(); WaitNms(15); /*Fin LCD_init*/ /*******************************************************************/ void Imprime_cadena(char *str) /* Función de impresión de cadena en forma de String */ char *strptr; strptr = str; PTB |= RS_D ; /* RS = 1 ESCRIBIR DATO */ while ((*strptr) != '\0') PTA = ((*strptr) & 0xF0); /* Write data to DDRAM */ Toggle(); PTA = ((*strptr) << 4); Toggle(); Wait1ms(); strptr++; /*Fin imprime_cadena*/ /*******************************************************************/ void Comando_LCD(unsigned char comando) unsigned char Respcursor; Respcursor = comando; PTB &= RS_C ; /* RS = 0 ESCRIBIR comando */ PTA = ((Respcursor) & 0xF0); Toggle(); PTA = ((Respcursor) << 4); Toggle();

110

Wait1ms(); /*Fin commando_LCD*/ /*******************************************************************/ void Imprime_numero(int numero) unsigned char unidades; unsigned char decenas; unsigned char centenas; unsigned char unidades_millar; unidades_millar = numero/1000; centenas = (numero%1000)/100; decenas = (numero%100)/10; unidades = (numero%10); PTB |= RS_D ; /* RS = 1 ESCRIBIR DATO */ if(unidades_millar!=0) PTA = (0x30); /* Write data to DDRAM */ Toggle(); PTA = ((unidades_millar) << 4); Toggle(); Wait1ms(); if(centenas!=0 || unidades_millar!=0) PTA = (0x30); /* Write data to DDRAM */ Toggle(); PTA = ((centenas) << 4); Toggle(); Wait1ms(); if(decenas!=0 || centenas!=0 || unidades_millar!=0) PTA = (0x30); /* Write data to DDRAM */ Toggle(); PTA = ((decenas) << 4); Toggle(); Wait1ms(); PTA = (0x30); /* Write data to DDRAM */

111

Toggle(); PTA = ((unidades) << 4); Toggle(); Wait1ms(); /*Fin imprime_numero*/

teclado.c

/*Librería para Teclado Matricial*/ #include <MC68HC908GP32.h> /*Librerías personales*/ #include <bandera.h> /*******************************************************************/ /*Función botones Esta función reconoce el botón que fue presionado del Teclado Matricial a Partir del valor en la variable boton_pta */ void botones (void) extern unsigned char PTC_bajo; extern unsigned char b_car; extern unsigned char num_press,ban_num_press,contador_num_kyb;/*valor del número presionado, marcador de numero activo*/ extern unsigned char entrar,atras; /*el botón entrar, atrás ha sido presionado*/ extern unsigned char menu; /*contador 0-3 fuente, monitor, gen, ayuda*/ extern unsigned char menu_mon; /*control para el menú de monitor*/ extern unsigned char menu_gen; /*control para el menú de monitor*/ extern unsigned char ban_flecha_press; /*bandera que indica que se ha presionado flecha arriba o abajo, botones A o P*/ if((PTC_bajo & 0x80)==0x80) PTC_bajo=PTC_bajo & 0x0F;//se limpia la bandera switch(PTC_bajo) case 0x03: //PTB=0x03; //Boton #3 pin 5,1 b_car='3'; num_press=3; ban_num_press=1;

112

break; case 0x02: //PTB=0x02; //Boton #2pin 5,2 b_car='2'; num_press=2; ban_num_press=1; break; case 0x01: //PTB=0x01; //Boton #1pin 5,3 b_car='1'; num_press=1; ban_num_press=1; break; case 0x00: //PTB=0x0f; //Boton #0pin 5,4 b_car='1'; num_press=0; ban_num_press=1; break; case 0x07: //PTB=0x07; //Boton #7 pin 6,1 b_car='7'; num_press=7; ban_num_press=1; break; case 0x06: //PTB=0x06; //Boton #6pin 6,2 b_car='6'; num_press=6; ban_num_press=1; break; case 0x05: //PTB=0x05; //Boton #5pin 6,3 b_car='5'; num_press=5; ban_num_press=1; break; case 0x04: //PTB=0x04; //Boton #4pin 6,4 b_car='4'; num_press=4; ban_num_press=1; break; case 0x0B: //PTB=0x0B; //Boton ## pin 7y9,1 b_car='#'; atras=1; break; case 0x0A: //PTB=0x0A; //Boton #Apin 7y9,2 b_car='A';

113

//control de menu principal if(BANDERA_BAN0==1) menu++; if(menu>4) menu=4; //control de menu de monitor if(BANDERA_BAN1==1) menu_mon++; if(menu_mon>3) menu_mon=3; //control de menu de generador if(BANDERA_BAN3==1) menu_gen++; if(menu_gen>3) menu_gen=3; ban_flecha_press=1; //se ha presionado flecha arriba o abajo contador_num_kyb=0; //se limpia el contador de posiciones para los números ban_num_press=0; //ningún numero queda pendiente break; case 0x09: //PTB=0x09; //Botón #9pin 7y9,3 b_car='9'; num_press=9; ban_num_press=1; break; case 0x08: //PTB=0x08; //Botón #8pin 7y9,4 b_car='8'; num_press=8; ban_num_press=1; break; case 0x0F: //PTB=0x0F; //Botón #NA pin 8y10,1, este botón no existe fisicamente b_car='F'; break; case 0x0E: //PTB=0x0E; //Botón #E pin 8y10,2 b_car='E'; entrar=1; break; case 0x0D: //PTB=0x0D; //Botón #P pin 8y10,3 b_car='P'; //control de menú principal

114

if(BANDERA_BAN0==1) menu--; if(menu<1) //botón flecha abajo \/ menu=1; //control de menú monitor if(BANDERA_BAN1==1) menu_mon--; if(menu_mon<1) menu_mon=1; //control de menú generador if(BANDERA_BAN3==1) menu_gen--; if(menu_gen<1) menu_gen=1; ban_flecha_press=1; //se ha presionado flecha arriba o abajo ban_num_press=0; break; case 0x0C: //PTB=0x0C; //Botón #* pin 8y10,4 b_car='*'; num_press=0x0C; ban_num_press=1; break; default: // PTB=0x00; break; /*Fin de botones*/

BANDERA.H

/*BANDERA= variable que puede ser modificada bit a bit*/ #pragma DATA_SEG SHORT MY_ZEROPAGE /* Coloca las siguientes variables en la página cero*/ typedef union byte Band; struct byte BAN0 :1; byte BAN1 :1; byte BAN2 :1;

115

byte BAN3 :1; byte BAN4 :1; byte BAN5 :1; byte BAN6 :1; byte BAN7 :1; Bits; BANDER; extern volatile BANDER _BANDERA; #define BANDERA _BANDERA.Band #define BANDERA_BAN0 _BANDERA.Bits.BAN0 #define BANDERA_BAN1 _BANDERA.Bits.BAN1 #define BANDERA_BAN2 _BANDERA.Bits.BAN2 #define BANDERA_BAN3 _BANDERA.Bits.BAN3 #define BANDERA_BAN4 _BANDERA.Bits.BAN4 #define BANDERA_BAN5 _BANDERA.Bits.BAN5 #define BANDERA_BAN6 _BANDERA.Bits.BAN6 #define BANDERA_BAN7 _BANDERA.Bits.BAN7 */

LIBPERSONAL.H

/*LIBRERIAS personales*/ #include <bandera.h> /*8-Bits Register*/ volatile BANDER _BANDERA;

116

A.2 ESQUEMÁTICOS

117

TRANSMISOR 4-20mA

DA

C0800

1kΩ

1kΩ

10nF

100nF

100nF

200.8Ω

U3A

LM

358P

32

4 8

1

10MΩ

10MΩ

10MΩ

10MΩ

100Ω

lazo fu

ente

tierra

E/S

dig

ital

-10V

LM

741

-10V

-10V

VC

C

-10V

118

TECLADO MATRICIAL

74LS

04D

74C

922

123456789101112131415161718

10nF

100nF

X

Y

5V

5V

74LS

373N

1D

3

2D

4

3D

7

4D

8

5D

13

6D

14

7D

17

8D

18

~OC

1

ENG

11

1Q

2

2Q

5

3Q

6

4Q

9

5Q

12

6Q

15

7Q

16

8Q

19

HD

R1X

5

PTC

0

PTC

3

PTA

_K

BD

0

119

ALIMENTACION

330uF

LM7805CT

LINEVREG

COMMON

VOLTAGE

LM337H

LINEVREG

COMMON

VOLTAGE

LM317H

LINEVREG

COMMON

VOLTAGE

700Ω

700Ω

100Ω

100Ω

-10 Volts10 Volts

5 VoltsGND

-12V

1mF

12V

12V

120

GENERADOR/MONITOR 4-20mA

HC08GP32

1234567891011121314151617181920 21

22232425262728293031323334353637383940

100nF100nF

10nF

22pF

22pF

2.2uF

10MΩ

33nF

Key = Space

100nF

100nF

10kΩ

HC-49/US_5MHz

100Ω

100nF

DAC0800

12345678 9

10111213141516

1kΩ1kΩ

10nF

100nF

100nF

10 V -10 V

LM741CN

3

2

4

7

6

51

200.8Ω LM358P

3

2

4

8

1

10MΩ

10MΩ

10MΩ

10MΩ

100Ω

voltaje

5V

5V

5V

5V

5V

5V

5V

RCV420

1 2 3 4 5 6 7 8910111213141516

loopout_vloop_loopin

100nF

100nF

HDR1X16

1N4154

10kΩ

Key=A50%

74LS04D74C922

123456789 10

1112131415161718

10nF

100nF

X

Y

74LS373N

1D3

2D4

3D7

4D8

5D13

6D14

7D17

8D18

~OC1

ENG11

1Q 2

2Q 5

3Q 6

4Q 9

5Q 12

6Q 15

7Q 16

8Q 19

121

BIBLIOGRAFÍA

REFERENCIAS BIBLIOGÁFICAS

Ingeniería de Control Moderna Katsuhiko Ogata Editorial: Prentice Hall; Tercera Edición

Introducción al análisis de circuitos Boylestad Pearson, Prentice Hall; Décima edición

Microcontroladores PIC José M. Angulo Usategui Ignacio Angulo Martínez Mc Graw Hill; Tercera edición

Microcontrollers Architecture, Implementation & Programming Kenneth Hintz Daniel Tabak Mc Graw Hill

MC68HC908GP32 Technical Data Rev. 6, 8/2002 Freescale Semiconductors, Inc.

Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments ANSI/ISA-50.1-1982 (R1992)

4-20 mA Transmitters AN104 APPLICATION NOTE Dataforth Corporation

4-20mA Current Loop Primer DMS APPLICATION NOTE 20 DATEL INNOVATION AND EXCELLENCE

Implementing a 4-mA to 20-mA Current Loop on TI DSPs

122

SZZA045 Application Report Texas Instruments

IC BUILDING BLOCKS FORM COMPLETE ISOLATED 4-20mA CURRENT-LOOP SYSTEMS SBOA017 APPLICATION BULLETIN BURR-BROWN

LAZO DE CORRIENTE ANALÓGICO ADQUISICIÓN Y CONTROL MEDIANTE UN MÓDULO RIAC NDA6 LAZO420 Rev. 050926 Micro axial

VOLTAGE TO CURRENT CONVERSION APPLICATION NOTE 13 Power operational amplifier APEX microtechnology

4-20mA CURRENT LOOP FOR PPT/PPT-R AN102 HoneyWell

REFERENCIA NO BIBLIOGRÁFICA

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tesis gen420mA

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