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FUSIBLE VIRTUAL REINICIABLE
JoséAlfredoMijaresEnríquez
PresentadoalaacademiadeSistemasDigitalesyComunicaciones
delInstitutodeIngenieríayTecnologíade
LaUniversidadAutónomadeCiudadJuárez
Parasuevaluación
LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
AGOSTO DEL 2009
FUSIBLE VIRTUAL REINICIABLE
MC. Alejandra Mendoza Presidente de la academia
M.C. Sergio Luján Asesor
___________________________________________
José Mijares Alumno
___________________________________________
Introducción de protocolo Fusible virtual reiniciable Paraelpaís,Cd.Juárezrepresentalafronteramásimportantedelpaís,graciasalainversiónenelsectorindustrial.Nosoloconinversioneseninfraestructura,sinoentecnología.Enestesector,sepresentaunfenómenoparticularlautilizacióncadavezmasintensadeequipoeléctrico,elmayornumerodemaquinasutilizadasenlaindustriasonelectrónicas,locualsedañanfrecuentemente,yaseaporsobrecargasounsobrevoltajeyestocausagrandesperdidasparalasempresas,yaqueelpreciodeestosaparatossoncostosos,sintomarencuentalamanodeobrayeltiemponoproductivoquegeneralacomposturadelequipo.Lamayorpartedelosequiposcuentanconunfusiblequesolopuedenserutilizadosunasolavez,yaqueestánhechosporunaláminademetalquepermitequesefunda,medianteelefectoJoule,cuandohaypresenciadesobrecorrienteosobrevoltaje.Porestarazónescostosoparaunaempresamaquiladoraestarcomprandofusiblescadavesqueunosequema,tomandoencuentaquesisetienen60equiposdepruebaeléctricaysequemaunfusiblediarioresultasercostosoestarcomprándolos.
Hoyendía,elincrementocompetitivoenelmercadodelaindustriaelectrónica,crealanecesidaddediseñarsistemasconmejorescaracterísticas,demenortamaño,bajosrequerimientosdeenergía,mejorrealización,teniendounespecialénfasissobretodoenlafacilidaddeduplicidaddelsistemadiseñado.Lalógicadefinidaporelusuario(cliente),yrealizadaporelfabricante,permiteindividualizaralossistemasdiseñados,asícomotambiénapegarsemásalosrequerimientosespecíficosdelusuario(cliente).Esto,tienerepercusiónenelcosto,realización,compactabilidad,desempeñoyseguridaddeldiseño.
Esporelloquesepretendeimplementarunfusiblevirtualreiniciable,elcualtendrávariasmejoras,Lamasimportanteesquealmomentodepresentarseunasobrecarga,elfusiblecortacompletamentelacorrienteprotegiendoasítodoslosinstrumentosconquecuenteelequipo,ydemaneraautomáticasereinicie,disminuyendoeltiempoquesetardaríaensustituirunfusible“desechable”,Otradesusmejorasseriaquesepuedeutilizarportiempoindefinidoyaqueporsucircuiterianoesnecesariocambiarlocuandoocurraunasobrecargaosobrevoltaje.
Antecedentes de la Investigación
Elfusibleeléctrico,denominadoinicialmentecomoaparatodeproteccióncontrasobrecorrienteporfusión,eseldispositivomásantiguodeproteccióncontrafallasencircuitoseléctricos,apareciendolasprimerascitasbibliográficasenelaño1774,momentoenelqueseloempleabaparaprotegeracondensadoresdedañosfrenteacorrientesdedescargadevalorexcesivo.Duranteladécadade1880escuandosereconocesupotencialcomodispositivoprotectordelossistemaseléctricos,queestabanreciéncomenzandoadifundirse.
Desdeesemomento,hastalaactualidad,losnumerososdesarrollosylaaparicióndenuevosdiseñosdefusibleshanavanzadoalpasodelatecnología,yesque,apesardesuaparentesimplicidad,estedispositivoposeeenlaactualidadunmuyelevadoniveltecnológico,tantoenloqueserefierealosmaterialesusadoscomoalasmetodologíasdefabricación.Elfusiblecoexisteconotrosdispositivosprotectores,dentrodeunmarcodecambiostecnológicosmuyaceleradosquelohacenaparecercomopasadodemodauobsoleto,loquenoesasí.
Lanecesidaddefusiblesdebajotamañoescadavezmayor,porlaminiaturizacióndelaelectrónica,pudiendoafirmarquecadaequipoelectrónicomodernoposeeenlaactualidadunoomásfusibles,comoporejemplolosteléfonosmóviles,lascámarasfotográficasdigitales,filmadoras,etc.Otrocampodemuybuenaltodesarrolloactualrdrlfrlfusibleparaautomotores,debidoalagregadocadavezmayordeelectrónicayelectricidadaltransformarseenelautomóviltotalmenteeléctricoohíbridoenetapaintermedia,enformamasiva,consuconsiguienteusoextensivodefusibles.Elpróximodesarrolloqueseesperadefusibles,quedaríalugaralapróximaetapa,eselagregadodecapacidadohabilidaddetomadedecisionesodeadaptación,queharíaquesuoperaciónseamodificadaporcondicionesdetrabajoindependientedelamagnituddelacorriente.Dandoasílugaraldenominadofusibleinteligente,delqueyaseestánhabiendoalgunosavancestodavíaincipientesymuyprotegidosporsusposibilidadesdeserpatentados.
Fundamentos Teóricos Laproducciónanualdefusiblessuperalos30millonesdeunidades,mientrasqueenlaArgentinaseutilizanaproximadamente300.000unidadesanuales.Unaindustriadetamañomediopuedetenerinstaladosalgunoscentenaresdefusiblesyenunautomóvilmodernopuedenencontrarseenusoentre40y60fusibles.Cadaequipoelectrónicoposeealmenosunfusible,cuyostamañospuedensertanpequeñoscomolacabezadeunfósforodemadera.Enelotroextremo,oseaparaaplicacionesdealtatensiónyconaltapotenciadecortocircuito,seencuentranfusiblescuyopesorondalos20Kilogramos.
Apesardequealgunospronosticadoresinteresadosvaticinanlaprontadesaparicióndelfusible,lasestadísticasdeproducciónanivelmundialindicanelcrecimientoconstantedelmercado.Paraalgunostiposdefusibleselcrecimientoesmuyelevado,comoeselcasodelosdispositivosparacircuitoselectrónicosdebajapotenciayloselementosparausoenautomóviles.Encambio,paralosfusiblestradicionales(bajaymediatensión,yaltacapacidadderuptura)seestimauncrecimientoconmenorvelocidad,delordendelcrecimientodelossistemaseléctricos,querondael3%anual.
Elprincipiodefuncionamientodelfusibleesmuysimple:sebasaenintercalarunelementomásdébilenelcircuito,demaneratalquecuandolacorrientealcancenivelesquepodríandañaraloscomponentesdelmismo,elfusiblesefundaeinterrumpalacirculacióndelacorriente.Queelelementofusibleoeslabóndébildelcircuitoalcancelafusiónnoimplicanecesariamentequeseinterrumpalacorriente,siendoestadiferencialaclaveparaentenderlatecnologíainvolucradaenelaparentementesimplefusible.
Alolargodelosañoshanidoapareciendofusiblesparaaplicacionesespecíficas,talescomoprotegerlíneas,motores,transformadoresdepotencia,transformadoresdetensión,capacitores,semiconductoresdepotencia,conductoresaislados(cables),componenteselectrónicos,circuitosimpresos,circuitosintegrados,etc.Estostipostandiversosdefusiblesposeencaracterísticasdeselecciónmuydistintas,loquehacecomplejasucorrectaselección.
Esterangotanampliorequierequeelusuariodefusiblesposeaunimportanteniveldeconocimientos,quenoesfácildeadquirirporlafaltadematerialinformativodefácilacceso.
Hayqueconsiderarotrofactorimportante,queeslaexistenciadefusiblesrespondiendoanormalizacionesdediversospaíses.Cuandosehabladelossistemasdedistribucióndeenergíaeléctrica,seempleanennuestromediofusiblesdealtapotenciarespondiendofundamentalmenteanormaseuropeas,peroparaladistribucióndemediatensiónybajapotencia,seempleanelementosafinesalanormalizaciónnorteamericana.
Lanormalizacióneuropea,enlaactualidadprácticamentesehaunificadoenlasnormasIEC(InternationalElectrotechnicalComission),peroennuestromediotodavíahayinfinidaddedispositivosinstaladoscuyoorigenprovienedetiemposanterioresalaunificación.Lasituaciónseempeoramuchocuandosehacereferenciaalosfusiblesinstaladosenequipos,yaseanindustriales,electrodomésticosoelectrónicos,pueslosdispositivosrespondenalasnormasdelpaísdeorigendelequipamiento.
Elabanicodeposibilidadesdefusiblesparaequiposdebajatensiónesprácticamenteilimitado,pudiendoafirmarsequecadapaísdelmundoestárepresentadoconalgúnfusible.Frenteaestasituación,lareposicióndelfusibleesmuydifícildelograr,porloquedeberecurrirsealreemplazoporeldispositivodecaracterísticastanparecidascomoseaposible,loquenuevamenterequieredeunbuenniveldeconocimientosporpartedelusuario.
Teoria de operación Basicamente, este sistema detecta la corriente que pasa por el o los sensores, loscuales convierten esa corriente en un voltaje sinoidal analogo de baja amplitudmedianteelefectoHall,elcualseconvierteenunnumerodigitalde12bits,dentrodel PIC. Este numero es comparado con un valor preestablecido como maximo,cuandoelnumeroconvertidoesmayoraeste,elPICactivaunasalidalacualcontrolaun pequeño relevador pormedio de unopto acoplador, el cual corta el voltaje queestagenerando lacorrientequeelsistemaesta leyendo/sensando.Tambien,dentrodeelprogramadisenadoparaestePIC,dichovalorconvertidoesmandadoporunodesuspuertosde8bits,elcualsegrabaenunregistroPIPO,estoconelfindecrearunsistemadecomunicaciónconotrotipodecontrol.
Material Utilizado
Cantidad Descripcion1 5VdcVoltageregulator0 10Kohmtrimpotentiometer1 DarlingtonOptocoupler1 6dipsocket1 28dipsocket1 MicrocontrollerPIC18F22201 5VdcSPDTrelay0 20.00MHzoscillator1 3StateParallelRegister2 2PoleMaleConnector2 HallEfectCurrentSensor2 75OhmFixedResistor1 Virtual_SensorBoard1 34posconnector
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AN
CAT
NC
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CAT
EMI
7 8OUTGND
1 12NOSIGNAL
6 7COMGND
10NC
1+V
2-V
3O/P
1+V
2-V
3O/P
IC1
IC2
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IC4 IC5
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TR1
LOOP
LOOP18
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CN3
Diagrama y Componentes Componentes Identificacion
5VdcVoltageregulator TR110Kohmtrimpotentiometer R4DarlingtonOptocoupler IC5
6dipsocket IC5*28dipsocket IC6*
MicrocontrollerPIC18F2220 IC65VdcSPDTrelay IC4
20.00MHzoscillator IC33StateParallelRegister IC7&82PoleMaleConnector CN2&3HallEfectCurrentSensor IC1&275OhmFixedResistor R1Virtual_SensorBoard R234posconnector CN1
Metodología Objetivo general Utilizando un microcontrolador implementar un fusible virtual reiniciable, para la protección de equipo eléctrico.
Objetivos específicos
• Realizar investigación documental acerca de los microcontroladores
• Obtener el esquemático del microcontrolador
• Localizar partes y material necesario para el proyecto
• Realizarelprogramaparaelmicrocontrolador
• Realizarpruebasentreelhardwareyelsoftware
• Implementarelproyectocompleto
• Discutirydefinirconclusionesyrecomendacionesdelproyecto
• Documentarelproyecto
• Presentacióndelproyectoenexamen
Metas
• Investigaralmenos10fuentesdeinformaciónsobredesarrollodesistemasconmicrocontroladoresparafindeagosto.
• SeleccionarelPICquecumplaconlosrequisitosyaplicacionesparael27deseptiembre.
• Obtenereldiagramadelmicrocontroladorparael3deoctubre
• Generarelcódigoparael9deoctubre.
• CodificaryllevaracabolaprogramacióndelPICenbasealcódigodiseñadoparael15denoviembre.
• Llevaraacaboalmenos3pruebasdelsistemacompletoparael20denoviembre.
• Finalizarladocumentaciónyreportefinalparael30denoviembre.
Acciones • Accionesparameta1:
‐ InvestigarbibliotecaUACJ
‐ InvestigarbibliotecaUTEP
‐ InvestigarInternet
‐ Entrevistasyvisitas
• Accionesparameta2:
‐ InvestigarPIC
‐ Analizarrequerimientos
‐ Analizarfunciones
• Accionesparameta3:
‐ ObtenerdiagramaMicrochipTechonology
‐ Generarcódigo
• Accionesparameta4:
‐ ProgramarMPLAB
• Accionesparameta5:
‐ Finalizarcircuito
• Accionesparameta6:
‐ Organizardocumentación
Requerimientos y Materiales • Requerimientoparameta1:
‐ ComputadoraconInternet
‐ CredencialdelaUACJ
‐ CredencialUTEP
‐ Tiempo(23horas)
• Requerimientoparameta2:
‐ softwaredeanálisis
‐ Tiempo(27horas)
• Requerimientoparameta3:
‐ComputadoraconInternet
• Requerimientoparameta4:
‐ Softwaredeprogramación
‐ Programador
• Requerimientoparameta5:
‐TablillaImpresa
• Requerimientoparameta6:
‐ Buenaimpresoraositiodeimpresión
Referencias • DESARROLLOYPROGRAMACIONENSISTEMASDIGITALES
deMARTINEZSANCHEZ,VICTORIANOANGELRA‐MA1993
• MICROCONTROLADORPIC16F84DESARROLLODEPROYECTOS(3ªEDICION)dePALACIOSMUNICIO,ENRIQUEyREMIRODOMINGUEZ,FERNANDORA‐MA,2009
• ELECTRONICAGENERALdeALCALDESANMIGUEL,PABLOTHOMSONPARANINFO,2008
• AplicacionesdelosmicrocontroladoresPICdeMicrochipJ.Ma.AnguloUsategui,E.MartínCuencayJ.AnguloMartínezEditorialMcGrawHill,1998
• MicrochipPICMicrocontrollersDataBook,MicrochipTechnologyInc.Microchip,Theembeddedcontrolsolutionscompany,1997
• http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador
• http://www.micropic.es/index.php?option=com_remository&Itemid=27&func=select&id=49
• http://www.unicrom.com/Tut_ProgPICyMem1.asp
• http://www.microchip.com
• http://www.atmel.com
• http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/practic.htm
• http://buscon.rae.es/draeI/ - Diccionario
• http://babelfish.altavista.com/tr - Traductor
Implementar un fusible virtual reiniciable, utilizando un microcontrolador.
Realizar investigación documental acerca de los microcontroladores
Diseñarelprogramaparaelmicrocontrolador
Realizarpruebasentreelhardwareyelsoftware
Implementarelproyectocompleto
Presentacióndelproyectoenexamen
Investigaralmenos10fuentesdeinformaciónsobredesarrollodesistemasconmicrocontroladores
SeleccionarelPICquecumplaconlosrequisitosyaplicaciones
ObtenereldiagramadelmicrocontroladoryEsquemático
CodificaryllevaracabolaprogramacióndelPICenbasealcódigo
Llevaraacaboalmenos3pruebasdelsistemacompleto
Finalizarladocumentaciónyreportefinal
InvestigarbibliotecaUACJ/UTEP
InvestigarInternetEntrevistasyvisitas Generarcódigo
ObtenerdiagramaMicrochipTechonology
Analizarrequerimientosyfunciones
ProgramarMPLAB
InvestigarPIC
Finalizarcircuito
ComputadoraconInternet
CredencialdelaUACJ
CredencialdelaUTEP
Tiempo(23horas)
ComputadoraconInternet
Softwaredeanálisis
Tiempo(27horas)
Softwaredeprogramación
Programador
Organizardocumentación
TablillaImpresa
Buenaimpresoraositiodeimpresión
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
CIRCUITO PROTECTOR PROGRAMABLE
Por:
José Alfredo Mijares Enríquez
62561
Presentado a la Academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones del
Instituto de Ingeniería y Tecnología de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
Mayo del 2010
I
COQrdinador de la Materia ;Proyecto e Titulación"
Jurado
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Instituto de Ingeniería y Tecnología
EVALUACiÓN DE EXAMEN Fecha: 26 de Mayo del 2010 PROFESIONAL INTRACURRICULAR Horario: 19:00 - 21 :00 HRS. NIVEL: LICENCIATURA
TEMA: "Fusible virtual reiniciable"
La evaluación del examen profesional intracurricular consta de 4 partes: (Desarrollado en 1 hora)
1°.- Exposición por parte de los alumnos (máximo 20 minutos). 2°._ Réplica por parte del jurado. 3°._ Comentarios y/o recomendaciones. 4°._ Entrega de resultados.
Nombre del alumno: José Alfredo Mijares Enríquez
20Calificación Maestro de la materia (30%)
Calificación Director de Trabajo (40%)
Calificación del Jurado (30%)
TOTAL 10
Se recomienda que el documento se deposite para consulta en la BIBLIOTECA SiD NoD
Director de Trabajo
Mtro.A
FIRMADO EN ORIGINAL
ii
DECLARACION DE ORIGINALIDAD
Yo José Alfredo Mijares Enríquez. Declaro que el material contenido en este
documento es original y no ha sido copiado de ninguna otra fuente, ni usado para
obtener otro titulo o reconocimiento en otra institución de educación superior.
______________________________________
José Alfredo Mijares Enríquez
iii
AGRADECIMIENTOS
Agradecimiento a mis padres:
Agradezco a mis padres José Mijares y Silvia Enríquez por todo el apoyo, concejos
y valores que alo largo de la vida me en inculcado, por todos los esfuerzos que
hicieron que para poder darme la oportunidad de estudiar y poder ser un
profesionista.
Agradecimiento a mi esposa e hijos:
Agradezco a mi esposa Reyna Rivas y a mis dos hijos Alan Oswaldo y José Alfredo
por todo el apoyo que me dieron alo largo de mi carrera ya que sin su paciencia,
compresión y motivación en los momentos más difíciles no hubiera podido concluir
la carrera.
MUCHAS GRACIAS MI NEGRITA.
Agradecimiento a mis amigos:
Agradezco a mis dos amigos Fernando Gonzáles y Fernando Valenzuela en
paz descansen, por todos esos momentos de alegría que pasamos juntos
donde quiera que se encuentren gracias.
NUNCA LOS OLVIDARE.
Agradecimiento a mis maestros:
Agradezco a ustedes maestros por toda su dedicación, paciencia, entrega,
comprensión y conocimientos que me brindaron en todo el transcurso de la
carrera.
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Cortocircuito ...............................................................................................3 Figura 2.2 Elementos de protección (a) Fusible (b) Disyuntor (c) Interruptor.............5 Figura 3.1 Sensores (a) Humedad (b) Velocidad (c) Corriente....................................8 Figura 4.1 Esquema de un microcontrolador..............................................................16 Figura 5.1 Puente Rectificador. ..................................................................................23 Figura 5.2 Transformador toroidal .............................................................................24 Figura 5.3 Reguladores (a) LM7812 (b) LM7912(c) LM7912 ..................................24 Figura 5.4 Sensor CLN-50 .........................................................................................25 Figura 5.5 Opto aislador MOC8021...........................................................................25 Figura 5.6 Relevador G6E-134P ................................................................................26 Figura 5.7 Microcontrolador PIC18F2220 .................................................................26 Figura 5.8 Esquemático ..............................................................................................27 Figura 6.1. Circuito protector programable en protoboard........................................31 Figura 6.2. Circuito protector programable en tablilla impresa. ................................32 Figura 6.3 Pistas abiertas por sobre corriente.............................................................32 Figura 6.4 Circuito protector programable con fuente integrada. ..............................33 Figura 6.1 Reporte de tiempo muerto noviembre del 2009 a enero del 2010 ............34 Figura 6.2 Reporte de tiempo muerto enero a marzo del 2010 ..................................35
v
CONTENIDO
DECLARACION DE ORIGINALIDAD.................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS.............................................................................................. iii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ iv
CONTENIDO...............................................................................................................v
Capitulo 1 .....................................................................................................................1
INTRODUCCIÓN........................................................................................................1
Capitulo 2 .....................................................................................................................3
CIRCUITOS PROTECTORES CONTRA CORTO CIRCUITO ................................3
2.1 Corto circuito......................................................................................................3 2.2. Elementos de protección....................................................................................4
Capitulo 3 .....................................................................................................................7
SENSORES ELECTRICOS.........................................................................................7
3.1 Sensores. .............................................................................................................7 3.2 Tipos de sensores................................................................................................7
Capitulo 4 ...................................................................................................................11
MICROCONTROLADORES ....................................................................................11
4.1 Microcontrolador. .............................................................................................11 4.2 Arquitectura de computadora. ..........................................................................12 4.3 Procesador en detalle. .......................................................................................14 4.4 Perifericos.........................................................................................................20
Capitulo 5 ...................................................................................................................23
CIRCUITO PROTECTOR PROGRAMABLE..........................................................23
5.1 Descripción de los componentes. .....................................................................23 5.2 Esquemático y código.......................................................................................27 5.3 Funcionamiento de circuito protector programable .........................................30
Capitulo 6 ...................................................................................................................31
RESULTADOS ..........................................................................................................31
Capitulo 7 ...................................................................................................................36
CONCLUSIONES......................................................................................................36
REFERENCIAS .........................................................................................................37
1
Capitulo 1
INTRODUCCIÓN
Ciudad Juárez representa la frontera más importante del país, gracias a la inversión
en el sector industrial, no solo en infraestructura, sino en tecnología. En este sector,
se presenta un fenómeno particular la utilización cada vez más intensa de equipo
eléctrico, la mayoría de las maquinas utilizadas en la industria son electrónicas, las
cuales se dañan frecuentemente, ya sea por sobrecargas o sobrevoltaje, esto causa
grandes perdidas para las empresas, puesto que el precio de los aparatos es costoso,
sin tomar en cuenta la mano de obra y el tiempo no productivo que genera la
compostura de la maquinaria.
La mayor parte de los equipos cuentan con un fusible de protección, que solo
pueden ser utilizados una sola vez, ya que están hechos por una lámina de metal que
permite que se funda, mediante el efecto Joule, cuando hay presencia de
sobrecorriente o sobrevoltaje, por consecuencia se generan gastos extras para las
empresas maquiladoras
El problema principal y más crítico, es que los accesorios y componentes del
equipo de prueba eléctrica son dañados constantemente por sobrecargas (cortos
circuitos), generadas por: piezas con falla, cables invertidos, piezas mal conectadas,
modelos equivocados etc. Aunque el equipo cuenta con fusibles de protección, no sé
esta logrando proteger los aparatos eléctricos, esto genera que se tome demasiado
tiempo el reemplazar los fusibles dañados, lo cual ocasiona que baje la producción,
perdida de tiempo en reparar o remplazar el equipo dañado, por tal motivo en este
proyecto se pretende construir e implementar un circuito protector programables, que
2
sea capaz de proteger el equipo y a su ves disminuir el tiempo muerto en las áreas de
producción así como los costos y la eficiencia productiva de la línea.
En este documento presento el proceso de desarrollo, diseño e
implementación de un circuito protector programable utilizando básicamente un
microcontrolador. Este circuito ha sido ideado y diseñado con el fin de utilizarse
como protección contra cortos circuitos para equipos de prueba eléctrica.
Cabe mencionar que el proyecto es muy interesante porque hoy en día aquí
en la frontera es la fuente de trabajo más grande disponible en ciudad Juárez es la
industria maquiladora y en todas las empresas se utilizan equipos eléctricos, por tal
motivo es de mucha utilidad protegerlos contra cortos circuitos para evitar el daño
parcial o total de la maquinaria.
En la actualidad existen algunos tipos de circuito protectores; pero el objetivo
del proyecto es más que nada, demostrar que se puede diseñar y construir utilizando
muchas de las herramientas de conocimiento adquiridas en el transcurso de la carrera
de Ingeniero en Sistemas Digitales y Comunicaciones. Además para poder lograr el
objetivo propuesto, se aprendió a utilizar componentes que nunca se habían trabajado
con ellos.
El documento esta estructurado de la siguiente manera: en el capitulo 2 se
describe que es un corto circuito y algunos tipos protección contra corto circuitos, el
capitulo 3 se muestran de forma teórica los sensores más comunes y sus principales
características, en el capitulo 4 se habla sobre los microcontroladores, su
arquitectura, los periféricos y las principales características en el capitulo 5 se detalla
el desarrollo del circuito protector programable, donde se mencionan todos los
puntos importantes con respecto a su construcción y funcionamiento y en el ultimo
capitulo se presentan los resultados y las conclusiones finales.
3
Capitulo 2
CIRCUITOS PROTECTORES CONTRA CORTO
CIRCUITO
2.1 Corto circuito.
Se denomina cortocircuito al fallo en un aparato o línea eléctrica por el cual la
corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo o fase al neutro o tierra en
sistemas monofásicos de corriente alterna, entre dos fases o igual al caso anterior
para sistemas polifásicos, o entre polos opuestos en el caso de corriente continua. El
cortocircuito se produce normalmente por fallos en el aislante de los conductores,
cuando estos quedan sumergidos en un medio conductor como el agua o por contacto
accidental entre conductores aéreos por fuertes vientos o rotura de los apoyos, en la
figura 2.1 se muestra un corto circuito provocado con una corriente de 20 A y 12V.
Figura 2.1 Cortocircuito
Debido a que un cortocircuito puede causar importantes daños en las
instalaciones eléctricas e incluso incendios en edificios, estas instalaciones están
4
normalmente dotadas de fusibles, interruptores magneto térmicos o diferenciales a
fin de proteger a las personas y las cosas.
Las fallas eléctricas según su naturaleza y gravedad se clasifican en:
sobrecarga, corto circuito, falla de aislamiento. La sobre carga se produce cuando la
magnitud de la tensión ("voltaje") o corriente supera el valor preestablecido como
normal (valor nominal). Comúnmente estas sobrecargas se originan por exceso de
consumos en la instalación eléctrica. Las sobrecargas producen calentamiento
excesivo en los conductores, lo que puede significar la destrucción de su aislamiento,
incluso llegando a provocar incendios por inflamación.
El corto circuito se origina por la unión fortuita de dos líneas eléctricas sin
aislamiento, entre las que existe una diferencia de potencial eléctrico (fase-neutro,
fase-fase). Durante un cortocircuito el valor de la intensidad de corriente se eleva de
tal manera, que los conductores eléctricos pueden llegar a fundirse en los puntos de
falla, generando excesivo calor, chispas e incluso flamas, con el respectivo riesgo de
incendio.
Las fallas de aislamiento se originan por el envejecimiento de los
aislamientos, los cortes de algún conductor, uniones mal aisladas, etc. Estas fallas no
siempre originan cortocircuitos, sino en muchas ocasiones se traduce en que
superficies metálicas de aparatos eléctricos queden energizadas (con tensiones
peligrosas), con el consiguiente peligro de descarga eléctrica para los usuarios de
aquellos artefactos.
2.2. Elementos de protección
Existen varios tipos de protecciones contra corto circuito, entre ellos destacan:
fusibles (protecciones térmicas), interruptor termo magnético o disyuntor, interruptor
o protector diferencial, entre otros. Por lo que a continuación se explican los
5
dispositivos más importantes utilizados para lograr continuidad en el servicio
eléctrico y seguridad para las personas y/o instalaciones, algunos ejemplos se
muestran en la figura 2.2.
(a) (c) (b)
Figura 2.2 Elementos de protección (a) Fusible (b) Disyuntor (c) Interruptor.
Los fusibles (protecciones térmicas) interrumpen un circuito eléctrico debido
a que una sobre corriente quema un filamento conductor ubicado en el interior, por lo
que deben ser reemplazados después de cada actuación para poder restablecer el
circuito. Los fusibles se emplean como protección contra cortocircuitos y
sobrecargas.
El interruptor termo magnético o disyuntor cuenta con un sistema magnético
de respuesta rápida ante sobre corrientes abruptas (cortocircuitos), y una protección
térmica basada en un bimetal que desconecta ante sobre corrientes de ocurrencia más
lenta (sobrecargas). Estos disyuntores se emplean para proteger cada circuito de la
instalación, siendo su principal función resguardar a los conductores eléctricos ante
sobre corrientes que pueden producir peligrosas elevaciones de temperatura.
El interruptor o protector diferencial es un elemento destinado a la protección
de las personas contra los contactos indirectos. Se instala en el tablero eléctrico
después del interruptor automático del circuito que se desea proteger, generalmente
6
circuitos de enchufes, o bien, se le puede instalar después del interruptor automático
general de la instalación si es que se desea instalar solo un protector diferencial, si es
así se debe calcular que la capacidad nominal (amperes) del disyuntor general sea
inferior o igual a la del protector diferencial.
El interruptor diferencial censa la corriente que circula por la fase y el neutro,
que en condiciones normales debiese ser igual. Si ocurre una falla de aislamiento en
algún artefacto eléctrico, es decir, el conductor de fase queda en contacto con alguna
parte metálica (conductora), y se origina una descarga a tierra, entonces la corriente
que circulará por el neutro será menor a la que circula por la fase. Ante este
desequilibrio el interruptor diferencial opera, desconectando el circuito. Estas
protecciones se caracterizan por su sensibilidad (corriente de operación), es decir el
nivel de corriente de fuga a partir del cual comienzan a operar, comúnmente este
valor es de 30 mili Amperes (0,03 A). Es muy importante recalcar que estas
protecciones deben ser complementadas con un sistemas de puesta a tierra, pues de
no ser así, el interruptor diferencial solo percibirá la fuga de corriente en el momento
en que el usuario toque la carcasa energizada de algún artefacto, con lo que no se
asegura que la persona no reciba una descarga eléctrica.
7
Capitulo 3
SENSORES ELECTRICOS
3.1 Sensores.
En general se confunde entre sensores y transductores, pero se pueden distinguir las
siguientes definiciones. El sensor es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y
responde con una señal eléctrica. Mientras que el transductor es un convertidor de un
tipo de energía a otra.
Además los sensores pueden ser activos o pasivos. Un sensor activo requiere
una fuente externa de alimentación eléctrica como las RTD o células de carga.
Mientras que un sensor pasivo no requiere una fuente externa de excitación como los
termopares o las celdas solares. Asimismo los transductores funcionan con señales
de: luz, presión, temperatura, sonido, olor, etc.
3.2 Tipos de sensores
Existe una gran cantidad de sensores en el mercado, para poder detectar y medir
magnitudes físicas, entre ellos destacan: los eléctricos, temperatura, humedad,
posición, movimiento, corriente, conductividad, resistividad, biométricos, acústicos,
imagen, aceleración, velocidad, inclinación, químicos, entre otros. Algunos ejemplos
se muestran en la figura 3.1 Por lo que a continuación se explican las características
más importantes de algunos de los sensores.
8
(a) (b) (c)
Figura 3.1 Sensores (a) Humedad (b) Velocidad (c) Corriente.
No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos,
sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición de señales y control de
procesos. Por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos
sensores que como parte de una cadena de dispositivos, forman un sistema. Estos
adaptadores, como acondicionadores de señal, son los amplificadores operacionales
en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores
analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser
procesados los datos con un procesador digital de señales (Digital Signal Processor
DSP) o Microcontrolador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador
o por medio de un convertidor digital a analógico.
Los sensores electrónicos han ayudado no solo a medir con mayor exactitud
las magnitudes, sino a poder operar con dichas medidas. Pero no se puede hablar de
los sensores sin sus acondicionadores de señal, ya que normalmente los sensores
ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las
características del sensor con las del circuito que le permite medir, acondicionar,
procesar y actuar con dichas medidas.
Sensor de temperatura probablemente sea la temperatura el parámetro físico
más común que se mide en una aplicación electrónica, incluso en muchos casos en
9
que el parámetro de interés no es la temperatura, ésta se ha de medir para incluir
indirectamente su efecto en la medida deseada, por ejemplo la energía eléctrica
consumida. La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran
proliferación de dispositivos sensores y transductores, desde la sencilla unión bi-
metálica de los termostatos, hasta los dispositivos semiconductores más complejos.
Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto
térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos.
Los sensores de humedad capacitivos están formados por un condensador de
dos láminas de oro como placas y como dieléctrico una lámina no conductora que
varía su constante dieléctrica, en función de la humedad relativa de la atmósfera
ambiente. El valor de la capacidad se mide como humedad relativa. La compañía
Philips fabrica este tipo de sensores. El sensor de humedad resistivo es un electrodo
polímero montado en tándem, que detecta la humedad en el material. Además un
circuito acondicionador y linealizador dan una salida estándar.
Los sensores de posición pueden dar según su construcción o montaje, una
posición lineal o angular. Los electromecánicos lo forman los finales de carrera o
micro ruptores. Se sitúan en puntos estratégicos a detectar, en sistemas industriales y
máquinas en general. Conmutan directamente cualquier señal eléctrica. Tienen una
vida limitada. Solo pueden detectar posiciones determinadas, debido a su tamaño, los
magnéticos forman los detectores de proximidad magnéticos, que pueden ser los de
efecto Hall y los Resistivos, típicos en aplicaciones industriales. Y los ópticos. Lo
forman las Células fotoeléctricas y los Encoders.
Los sensores de movimiento (posición, velocidad y aceleración), son los
electromecánicos. Una masa con un resorte y un amortiguador. El piezo-eléctrico
una deformación física del material causa un cambio en la estructura cristalina y así
cambian las características eléctricas. Un Piezo-resistivo una deformación física del
material cambia el valor de las resistencias del puente. Los capacitivos el
10
movimiento paralelo de una de las placas del condensador hace variar su capacidad y
el sensor efecto Hall la corriente que fluye a través de un semiconductor depende de
un campo magnético. Los sensores de movimiento permiten la medida de la fuerza
gravitatoria estática (cambios de inclinación), la medida de la aceleración dinámica
(aceleración, vibración y choques), y la medida inercial de la velocidad y la posición
(la velocidad midiendo un eje y la posición midiendo los dos ejes).
Mencionaremos cuatro tipos de sensores de corriente eléctrica, los
inductivos, resistivos, magnéticos y bobina rogowsky. Los inductivos
transformadores de Corriente miden el cable que pasa por medio de un núcleo
magnético que tiene bobinado un secundario que proporciona una tensión
proporcional a la corriente que circula por el cable. En los resistivos una resistencia
provoca una caída de tensión proporcional a la corriente que circula por dicha
resistencia. Un sensor magnético efecto Hall este sensor mide el campo magnético de
un núcleo, generado por la corriente que circula por el cable a medir, que bobina al
núcleo. La bobina Rogowsky miden los cambios de campo magnético alrededor de
un hilo que circula una corriente para producir una señal de voltaje que es
proporcional a la derivada de la corriente (di/dt).
11
Capitulo 4
MICROCONTROLADORES
4.1 Microcontrolador.
Un microcontrolador es un circuito integrado (chip) que incluye en su interior las tres
unidades funcionales de una computadora, la unidad central de procesamiento,
memoria y unidades de E/S (entrada/salida).
Las características más importantes: son diseñados para reducir el costo y el
consumo de energía de un sistema en particular, por eso el tamaño de la unidad
central de procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos
dependerán de la aplicación. El control de un electrodoméstico sencillo como una
batidora, utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bit) por que sustituirá a un
autómata finito. En cambio un reproductor de música y/o vídeo digital (mp3 o mp4)
requerirá de un procesador de 32 bit o de 64 bit y de uno o más Codificador-
decodificador de señal digital (audio y/o vídeo). El control de un sistema de frenos,
se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bit, al igual que el sistema de
control electrónico del motor en un automóvil.
Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de
computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante
corresponde a procesamiento digital de señales (digital signal processing DSP) más
especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito
general, en casa usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de
su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi
12
cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas,
teléfonos, etc.
Un microcontrolador difiere de una unidad central de procesamiento (CPU),
debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un
mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el
dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso
es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que
todas estas tareas sean manejadas por otros circuitos integrados. Hay que agregarle
los módulos de entrada/salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de
información.
4.2 Arquitectura de computadora.
Básicamente existen dos arquitecturas de computadoras, y por supuesto, están
presentes en el mundo de los microcontroladores: Von Neumann y Harvard. Ambas
se diferencian en la forma de conexión de la memoria al procesador y en los buses
que cada una necesita.
La arquitectura Von Neumann es la que se utiliza en las computadoras
personales, para ella existe una sola memoria, donde coexisten las instrucciones de
programa y los datos, accedidos con un bus de dirección, uno de datos y uno de
control.
Debemos comprender que en una PC, cuando se carga un programa en
memoria, a éste se le asigna un espacio de direcciones de la memoria que se divide
en segmentos, de los cuales típicamente tenderemos los siguientes: código
(programa), datos y pila. Es por ello que podemos hablar de la memoria como un
todo, aunque existan distintos dispositivos físicos en el sistema (HDD, RAM, CD,
FLASH).
13
En el caso de los microcontroladores, existen dos tipos de memoria bien
definidas: memoria de datos (típicamente algún tipo de SRAM) y memoria de
programas (ROM, PROM, EEPROM, FLASH u de otro tipo no volátil). En este caso
la organización es distinta a las de las PC, porque hay circuitos distintos para cada
memoria y normalmente no se utilizan los registros de segmentos, sino que la
memoria está segregada y el acceso a cada tipo de memoria depende de las
instrucciones del procesador.
A pesar de que en los sistemas integrados con arquitectura Von Neumann la
memoria esté segregada, y existan diferencias con respecto a la definición tradicional
de esta arquitectura; los buses para acceder a ambos tipos de memoria son los
mismos, del procesador solamente salen el bus de datos, el de direcciones, y el de
control. Como conclusión, la arquitectura no ha sido alterada, porque la forma en que
se conecta la memoria al procesador sigue el mismo principio definido en la
arquitectura básica.
Esta arquitectura es la variante adecuada para las PC, porque permite ahorrar
una buena cantidad de líneas de E/S, que son bastante costosas, sobre todo para
aquellos sistemas como las PC, donde el procesador se monta en algún tipo de base
alojado en una placa madre (motherboard). También esta organización les ahorra a
los diseñadores de motherboards una buena cantidad de problemas y reduce el costo
de este tipo de sistemas.
La otra variante es la arquitectura Harvard, y por excelencia la utilizada en
supercomputadoras, en los microcontroladores, y sistemas integrados en general. En
este caso, además de la memoria, el procesador tiene los buses segregados, de modo
que cada tipo de memoria tiene un bus de datos, uno de direcciones y uno de control.
14
La ventaja fundamental de esta arquitectura es que permite adecuar el tamaño
de los buses a las características de cada tipo de memoria; además, el procesador
puede acceder a cada una de ellas de forma simultánea, lo que se traduce en un
aumento significativo de la velocidad de procesamiento, típicamente los sistemas con
esta arquitectura pueden ser dos veces más rápidos que sistemas similares con
arquitectura Von Neumann.
La desventaja está en que consume muchas líneas de E/S del procesador; por
lo que en sistemas donde el procesador está ubicado en su propio encapsulado, solo
se utiliza en supercomputadoras. Sin embargo, en los microcontroladores y otros
sistemas integrados, donde usualmente la memoria de datos y programas comparten
el mismo encapsulado que el procesador, este inconveniente deja de ser un problema
serio y es por ello que encontramos la arquitectura Harvard en la mayoría de los
microcontroladores.
4.3 Procesador en detalle.
En los años 70 del siglo XX, la electrónica digital no estaba suficientemente
desarrollada, pero dentro de la electrónica ya era una especialidad consagrada. En
aquel entonces las computadoras se diseñaban para que realizaran algunas
operaciones muy simples, y si se quería que estas máquinas pudiesen hacer cosas
diferentes, era necesario realizar cambios bastante significativos al hardware.
A principios de los años 70, una empresa japonesa le encargó a una joven
compañía norteamericana que desarrollara un conjunto de circuitos para producir una
calculadora de bajo costo. INTEL se dedicó de lleno a la tarea y entre los circuitos
encargados desarrolló uno muy especial, algo no creado hasta la fecha: el primer
microprocesador integrado.
15
El 4004 salió al mercado en 1971, es una máquina digital sincrónica
compleja, como cualquier otro circuito lógico secuencial sincrónico. Sin embargo, la
ventaja de este componente está en que aloja internamente un conjunto de circuitos
digitales que pueden hacer operaciones corrientes para el cálculo y procesamiento de
datos, pero desde una óptica diferente: sus entradas son una serie de códigos bien
definidos, que permiten hacer operaciones de carácter específico cuyo resultado está
determinado por el tipo de operación y los operandos involucrados.
Visto así, no hay nada de especial en un microprocesador; la maravilla está
en que la combinación adecuada de los códigos de entrada, su ejecución secuencial,
el poder saltar hacia atrás o adelante en la secuencia de códigos en base a decisiones
lógicas u órdenes específicas, permite que la máquina realice un montón de
operaciones complejas, no contempladas en los simples códigos básicos.
Hoy estamos acostumbrados a los sistemas con microprocesadores, pero en el
“lejano” 1971 esta era una forma de pensar un poco diferente y hasta escandalosa, a
tal punto que Busicom, la empresa que encargó los chips a INTEL, no se mostró
interesada en el invento, así que INTEL puso manos a la obra y lo comercializó para
otros que mostraron interés; y bueno, el resto de la historia: una revolución sin
precedentes en el avance tecnológico de la humanidad.
Es lógico pensar que el invento del microprocesador integrado no fue una
revelación divina para sus creadores, sino que se sustentó en los avances, existentes
hasta el momento, en el campo de la electrónica digital y las teorías sobre
computación. Pero sin lugar a dudas fue la gota que colmó la copa de la revolución
científico-técnica, porque permitió desarrollar aplicaciones impensadas o acelerar
algunas ya encaminadas. La conclusión es simple, el mundo era uno antes del
microprocesador y otro después de su invención, piense en un mundo sin
microprocesadores y se encontrará remontado a los años 70 del siglo XX.
16
Ahora comenzaremos a ver cómo es que está echo un procesador, no será una
explicación demasiado detallada porque desde su invención éste ha tenido
importantes revoluciones propias, pero hay aspectos básicos que no han cambiado y
que constituyen la base de cualquier microprocesador. En la Figura 4.1 podemos ver
la estructura típica de un microprocesador, con sus componentes fundamentales,
claro está que ningún procesador real se ajusta exactamente a esta estructura, pero
aun así nos permite conocer cada uno de sus elementos básicos y sus interrelaciones.
Figura 4.1 Esquema de un microcontrolador.
Los registros son un espacio de memoria muy reducido pero necesario para
cualquier microprocesador, de aquí se toman los datos para varias operaciones que
debe realizar el resto de los circuitos del procesador. Los registros sirven para
almacenar los resultados de la ejecución de instrucciones, cargar datos desde la
memoria externa o almacenarlos en ella.
Aunque la importancia de los registros parezca trivial, no lo es en absoluto,
de hecho una parte de los registros está destinada a los datos, y esto determina uno de
los parámetros más importantes de cualquier microprocesador. Cuando un
procesador es de 4, 8, 16, 32 ó 64 bits, esto se refiere a que el procesador realiza sus
17
operaciones con registros de datos de ese tamaño, y por supuesto, esto determina
muchas de las potencialidades de estas máquinas.
Mientras mayor sea el número de bits de los registros de datos del
procesador, mayores serán sus prestaciones, en cuanto a poder de cómputo y
velocidad de ejecución, ya que este parámetro determina la potencia que se puede
incorporar al resto de los componentes del sistema, por ejemplo, no tiene sentido
tener una unidad lógica aritmética (ALU) de 16 bits en un procesador de 8 bits.
Por otro lado un procesador de 16 bits, puede que haga una suma de 16 bits
en un solo ciclo de máquina, mientras que uno de 8 bits deberá ejecutar varias
instrucciones antes de tener el resultado, aun cuando ambos procesadores tengan la
misma velocidad de ejecución para sus instrucciones. El procesador de 16 bits será
más rápido porque puede hacer el mismo tipo de tareas que uno de 8 bits, en menos
tiempo.
La unidad de control es de las más importantes en el procesador, en ella
recae la lógica necesaria para la decodificación y ejecución de las instrucciones, el
control de los registros, la unidad lógica aritmética, los buses y cuanta cosa más se
quiera meter dentro del procesador.
La unidad de control es uno de los elementos fundamentales que determinan
las prestaciones del procesador, ya que su tipo y estructura, determina parámetros
tales como el tipo de conjunto de instrucciones, velocidad de ejecución, tiempo del
ciclo de máquina, tipo de buses que puede tener el sistema, manejo de interrupciones
y un buen número de cosas más que en cualquier procesador van a para a este
bloque.
Por supuesto, las unidades de control, son el elemento más complejo de un
procesador y normalmente están divididas en unidades más pequeñas trabajando de
18
conjunto. La unidad de control agrupa componentes tales como la unidad de
decodificación, unidad de ejecución, controladores de memoria cache, controladores
de buses, controladores de interrupción, pipelines, entre otros elementos,
dependiendo siempre del tipo de procesador.
La unidad aritmético-lógico como los procesadores son circuitos que hacen
básicamente operaciones lógicas y matemáticas, se le dedica a este proceso una
unidad completa, con cierta independencia. Aquí es donde se realizan las sumas,
restas, y operaciones lógicas típicas del álgebra de Boole.
Actualmente este tipo de unidades ha evolucionado mucho y los procesadores
más modernos tienen varias ALU, especializadas en la realización de operaciones
complejas como las operaciones en coma flotante. De hecho en muchos casos le han
cambiado su nombre por el de “coprocesador matemático”, aunque este es un
término que surgió para dar nombre a un tipo especial de procesador que se conecta
directamente al procesador más tradicional.
Su impacto en las prestaciones del procesador es también importante porque,
dependiendo de su potencia, tareas más o menos complejas, pueden hacerse en
tiempos muy cortos, como por ejemplo, los cálculos en coma flotante.
Los Buses son el medio de comunicación que utilizan los diferentes
componentes del procesador para intercambiar información entre sí, eventualmente
los buses o una parte de ellos estarán reflejados en los pines del encapsulado del
procesador.
En el caso de los microcontroladores, no es común que los buses estén
reflejados en el encapsulado del circuito, ya que estos se destinan básicamente a las
E/S de propósito general y periféricos del sistema. Existen tres tipos: buses de
dirección: Se utiliza para seleccionar al dispositivo con el cual se quiere trabajar o en
19
el caso de las memorias, seleccionar el dato que se desea leer o escribir, bus de datos
y control que se utiliza para gestionar los distintos procesos de escritura lectura y
controlar la operación de los dispositivos del sistema.
Conjunto de instrucciones aunque no aparezca en el esquema, no podía dejar
al conjunto o repertorio de instrucciones fuera de esta fiesta, porque este elemento
determina lo que puede hacer el procesador.
Define las operaciones básicas que puede realizar el procesador, que
conjugadas y organizadas forman lo que conocemos como software. El conjunto de
instrucciones viene siendo como las letras del alfabeto, el elemento básico del
lenguaje, que organizadas adecuadamente permiten escribir palabras, oraciones y
cuanto programa se le ocurra. Existen dos tipos básicos de repertorios de
instrucciones, que determinan la arquitectura del procesador: CISC y RISC.
CISC, del inglés Complex Instruction Set Computer, Computadora de
Conjunto de Instrucciones Complejo. Los microprocesadores CISC tienen un
conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y que permiten
realizar operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los
registros internos, este tipo de repertorio dificulta el paralelismo entre instrucciones,
por lo que en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto rendimiento,
convierten las instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC,
llamadas generalmente microinstrucciones.
RISC, del inglés Reduced Instruction Set Computer, Computadora con
Conjunto de Instrucciones Reducido. Se centra en la obtención de procesadores con
las siguientes características fundamentales: Instrucciones de tamaño fijo, pocas
instrucciones, sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la
memoria de datos y número relativamente elevado de registros de propósito general.
20
Una de las características más destacables de este tipo de procesadores es que
posibilitan el paralelismo en la ejecución, y reducen los accesos a memoria. Es por
eso que los procesadores más modernos, tradicionalmente basados en arquitecturas
CISC implementan mecanismos de traducción de instrucciones CISC a RISC, para
aprovechar las ventajas de este tipo de procesadores. Los procesadores de los
microcontroladores PIC son de tipo RISC.
4.4 Periféricos.
Cuando vimos la organización básica de un microcontrolador, señalamos que dentro
de este se ubican un conjunto de periféricos, cuyas salidas están reflejadas en los
pines del microcontrolador. A continuación describiremos algunos de los periféricos
que con mayor frecuencia encontraremos en los microcontroladores: Entrada y
salida, temporizadores y contadores, conversor analógico/digital, puerto serie, y
Comparadores.
Entrada y Salidas de propósito general, también conocidos como puertos de
E/S, generalmente agrupadas en puertos de 8 bits de longitud, permiten leer datos del
exterior o escribir en ellos desde el interior del microcontrolador, el destino habitual
es el trabajo con dispositivos simples como relés, LED, o cualquier otra cosa que se
le ocurra al programador.
Algunos puertos de E/S tienen características especiales que le permiten
manejar salidas con determinados requerimientos de corriente, o incorporan
mecanismos especiales de interrupción para el procesador.
Típicamente cualquier pin de E/S puede ser considerada E/S de propósito
general, pero como los microcontroladores no pueden tener infinitos pines, ni
siquiera todos los pines que queramos, las E/S de propósito general comparten los
21
pines con otros periféricos. Para usar un pin con cualquiera de las características a él
asignadas debemos configurarlo mediante los registros destinados a ello.
Los temporizadores y contadores son circuitos sincrónicos para el conteo de
los pulsos que llegan a su entrada de reloj. Si la fuente de conteo es el oscilador
interno del microcontrolador es común que no tengan un pin asociado, y en este caso
trabajan como temporizadores. Por otra parte, cuando la fuente de conteo es externa,
entonces tienen asociado un pin configurado como entrada, este es el modo contador,
los temporizadores son uno de los periféricos más habituales en los
microcontroladores y se utilizan para muchas tareas, como por ejemplo, la medición
de frecuencia, implementación de relojes, para el trabajo de conjunto con otros
periféricos que requieren una base estable de tiempo entre otras funcionalidades. Es
frecuente que un microcontrolador típico incorpore más de un temporizador/contador
e incluso algunos tienen arreglos de contadores.
El conversor analógico/digital es muy frecuente en el trabajo con señales
analógicas, éstas deben ser convertidas a digital y por ello muchos
microcontroladores incorporan un conversor A/D, el cual se utiliza para tomar datos
de varias entradas diferentes que se seleccionan mediante un multiplexor.
Las resoluciones más frecuentes son 8 y 10bits, aunque hay
microcontroladores con conversores de 11 y 12 bits, para resoluciones mayores es
preciso utilizar conversores A/D externos. Los conversores A/D son uno de los
periféricos más codiciados en el mundo de los microcontroladores y es por ello que
muchísimos PIC los incorporan, siendo esta una de las características más
destacables de los dispositivos que fabrica Microchip.
Puerto serie este periférico está presente en casi cualquier microcontrolador,
normalmente en forma de UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) o
USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) dependiendo
22
de si permiten o no el modo sincrónico de comunicación, el destino común de este
periférico es la comunicación con otro microcontrolador o con una PC y en la
mayoría de los casos hay que agregar circuitos externos para completar la interfaz de
comunicación. La forma más común de completar el puerto serie es para
comunicarlo con una PC mediante la interfaz EIA-232 (más conocida como RS-
232), es por ello que muchas personas se refieren a la UART o USART como puerto
serie RS-232, pero esto constituye un error, puesto que este periférico se puede
utilizar para interconectar dispositivos mediante otros estándares de comunicación.
Los Comparadores son circuitos analógicos basados en amplificadores
operacionales que tienen la característica de comparar dos señales analógicas y dar
como salida los niveles lógicos ‘0’ o ‘1’ en dependencia del resultado de la
comparación.
23
Capitulo 5
CIRCUITO PROTECTOR PROGRAMABLE
5.1 Descripción de los componentes.
En este capitulo se explica el funcionamiento y las características más importantes de
los componentes utilizados para la realización del CPP, los cuales son los siguientes:
Transformador del tipo toroidal, puente rectificador, reguladores de voltaje de -12 ,
12 y 5 vdc, sensor de corriente de tipo efecto Hall, opto aislador tipo Darlington,
relevador y el microcontrolador usado para esta aplicación, PIC18F2220. Cabe
mencionar que este CPP esta dividido en dos partes los primeros cinco componentes
descritos forman parte de la fuente de poder y los restantes forman el circuito
protector.
Figura 5.1 Puente Rectificador.
El puente rectificador de onda completa con capacidad para manejar 2
amperes de corriente, y un voltaje promedio de 50 a 1000 volts de corriente alterna
(AC), el cual fue utilizado para rectificar el voltaje subministrado por el
transformador toroidal.
24
Figura 5.2 Transformador toroidal
El transformador del tipo toroidal mostrado en la figura 5.1, sirve para bajar
el voltaje que ha de ser rectificado y adecuado en amplitud para la aplicación, en este
caso se usó un transformador de la marca Amveco de la serie 70000 el cual tiene la
capacidad de bajar los 127Vac de entrada a 12 Volts por debanado (2) con una
corriente de 0.266 Amperes.
(a) (c)
(b)
Figura 5.3 Reguladores (a) LM7812 (b) LM7912(c) LM7912
En la figura 5.3 se muestran tres tipos de reguladores de voltaje, el regulador
(a) LM7812 este regulador es de 12 voltaje directo (VDC), el cual es utilizado para
obtener un voltaje regulado lineal de 12 Volts aproximadamente, a este se le agrega
25
un capacitor para rectificar aun más el pico en la onda original proveída por el
puente rectificador, en la figura 5.3 (b) LM7912 el regulador es de -12 VDC, se
obtiene un voltaje regulado negativo lineal de -12 Volts aproximadamente, al igual
que al LM7812 se le agrego un capacitar de 470 mili faradios para rectificar aun más
el pico en la onda original proveída por el puente rectificador, estos dos reguladores
son necesarios para la alimentación del sensor de corriente, mientras que el regulador
de la figura 5.3 (c)LM7805 es necesario para alimentar el sistema de control del
dispositivo.
Figura 5.4 Sensor CLN-50
Sensor de corriente de tipo efecto Hall (CLN-50), este dispositivo sensa la
corriente que pasa a través de un conducto, la cual pasa por la ventana del sensor,
dicha corriente es traducida a un voltaje a la salida del sensor, este sensor, está
alimentado por los +/- 12 volts provenientes de la fuente de poder.
Figura 5.5 Opto aislador MOC8021
26
Él opto aislador del tipo Darlington (MOC8021) es usado únicamente para
disparar el voltaje y/o corriente necesaria para activar el relevador, dadas las
características de este dispositivo, se puede manejar una salida de hasta el 600% del
voltaje y/o corriente que se esta usando en el emisor.
Figura 5.6 Relevador G6E-134P
El relevador G6E-134P el cual es activado mediante él opto aislador antes
mencionado, es utilizado para cortar la señal, la cual esta generando la corriente que
se mide en el sensor.
Figura 5.7 Microcontrolador PIC18F2220
El microcontrolador usado para esta aplicación, PIC18F2220, el cual cuenta
con 11 canales análogos, esto quiere decir, que tiene capacidad de leer 11 voltajes
análogos, los cuales son convertidos a su representación digital en un numero entero
dentro del controlador, este numero tiene una longitud de 10 bits, lo cual es también
27
característico de este controlador, lo que nos hace tener una mejor interpretación de
pequeños valores. La velocidad de este controlador es de 40 Mhz lo cual nos da la
oportunidad de leer estos canales hasta 450,000 veces por segundo, para esta familia
de micro controladores se han incluido una variedad de instrucciones nuevas que
facilitan el manejo y/o procesamiento de datos.
5.2 Esquemático y código
En la figura 5.8 se muestra el esquemático del proyecto, mencionare los
componentes mas relevantes utilizados: dos sensores de corriente (Ic1,Ic2), un
relevador (Ic4), el opto acoplador (Ic5), microcontrolador PIC18f2220,un registro
pensado para futuras modificaciones (Ic7), tres reguladores de 5, 12 y –12 vdc
(TR1,TR2,TR3),un regulador (BRG1) y el transformador (T1).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
LE
8Q
7Q
6Q
5Q
4Q
3Q
2Q
1Q
Vcc
GND
8D
7D
6D
5D
4D
3D
2D
1D
OE
1
2
3
4
5
6
7
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9
10
1
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3
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8
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24
25
26
27
28
Vss
V
RB0
RB1
RB2
RB3
RB4
RB5
RB6
RB7
OSC2
OSC1
Vss
RA5
RA4
RA3
RA2
RA1
RA0
MCLR
11
12
13
14 15
16
17
18
RC4
RC5
RC6
RC7
RC3
RC2
RC1
RC0
123
DD
1
2
34
5
6 AN
CAT
NC
NC
CAT
EMI
1 12NOSIGNAL
6 7 COMGND
10NC
1+V
2-V
3O
/P
1+
V
2-V
3O
/P
IC1
IC2 IC4 IC5
IC6IC7
CN1
R1
R2
R3
TR1
LOOP
LOOP18
19
18
19
CN2
CN3
JP1
Serial Port
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
123
TR2
R4
D1
R5
D2
123
TR3
C2
C1
T1
BRG1
INLET (120VAc)
D3
4116-1/84116-2/84116-3/84116-4/84116-5/84116-6/84116-7/84116-8/8
Figura 5.8 Esquemático
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#include <P18F2220.INC> COUNT1 equ 0x0010 COUNT2 equ 0x0011 COUNT3 equ 0x0013 HILIMIT equ 0x0015 ;0x2F0 HILIMIT2 equ 0x0016 Movlw 0x7F movwf OSCCON movlw 0x3F movwf OSCTUNE movlw 0x07 movwf CMCON clrf ADCON0 MOVLW 0X0D MOVWF ADCON1 clrf LATA clrf LATB clrf LATC movlw 0xFF movwf TRISA
CLRF TRISB CLRF TRISC movlw 0xBF movwf ADCON2 bsf ADCON0, 0 clrf ADRESL clrf ADRESH bsf INTCON,5 endless ;one time waits until the conversion ends bsf PORTC,2 bcf PORTC,4 call DELAY btfsc ADCON0 ,1 goto endless movlw 0x02 cpfslt ADRESH call ledon bsf ADCON0 ,1 endless2 ;second scan on the channel 0 bsf PORTC,4 bcf PORTC,2 call DELAY btfsc ADCON0 ,1 goto endless2 movlw 0x02 cpfslt ADRESH call ledon bsf ADCON0,1 goto endless
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ledon ;if the conversion reach the 2 most significants bits ;compares the 8 less significat bits movlw 0x9F cpfsgt ADRESL return bcf PORTC ,4 bsf PORTC ,3 bsf PORTC ,2 MOVLW 0X86 MOVWF T0CON bsf PORTC ,3 lo1 btfss INTCON ,2 goto lo1 bcf INTCON ,2 bcf T0CON ,7 clrf PORTC bsf PORTC ,4 clrf ADRESL clrf ADRESH return DELAY ;subrutine, just in case movlw 0x40 movwf COUNT2 loop_res movlw 0x40 ;.00005 sec0 movwf COUNT1 loop1 decfsz COUNT1,1 goto loop1 decfsz COUNT2,1 goto loop1 return end
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5.3 Funcionamiento de circuito protector programable
El circuito protector programable se alimenta con 120 ac, ese voltaje llega
directamente a un transformador toroidal que se utiliza para poder bajar el voltaje de
entrada de120 a 12 volts por devanado (2), el voltaje se rectifica por medio de un
puente, ese voltaje llega a los tres reguladores que tiene el circuito que son de +12, -
12 y 5 volts, con los dos primeros obtenemos un voltaje regulado lineal de +-12
volts aproximadamente, también se les agrego un capacitor de 470 micro faradios
con el propósito de rectificar a un mas el pico en la onda original proveída por el
puente rectificador, los voltajes regulados son necesarios para la alimentación del
sensor de corriente, el tercer regulador se utiliza para obtener un voltaje regulado
positivo lineal de +5 volts, para alimentar el opto acoplador, el relevador y el
microcontrolador, los cuales forman el sistema de control del dispositivo, de esta
manera se energiza el circuito protector programable.
La teoría de operación del sistema básicamente detecta la corriente que pasa
por el o los sensores, los cuales convierten esa corriente en un voltaje análogo de
baja amplitud mediante el efecto Hall, ese voltaje análogo es convertido por medio
del modulo convertidor análogo-digital propio de este microcontrolador, en un
numero digital de 12 bits, dentro del PIC. Este numero es comparado con un valor
preestablecido como máximo, cuando el numero convertido es mayor a este, el PIC
activa una salida la cual controla un pequeño relevador por medio de un opto
acoplador, el cual corta el voltaje que esta generando la corriente que el sistema esta
leyendo/censando.
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Capitulo 6
RESULTADOS
En este capitulo se explica todos los resultados obtenidos y modificaciones que a lo
largo del proceso se tuvieron que ir implementando en el CPP y también se muestran
unas graficas que nos indican el tiempo muerto que tenia el área de producción antes
y des pues de instalarse el circuito protector programable.
Figura 6.1. Circuito protector programable en protoboard.
Una vez teniendo todo el material y el programa para el PIC, se armo el
circuito en un protoboard para empezar a hacer pruebas como se observa en la figura
6.1 En un primer intento el resultado no fue muy bueno, se instalo el CPP en el
equipo de prueba, y después de una semana el PIC se quemó, es por ello que se
diseño una tablilla impresa.
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Figura 6.2. Circuito protector programable en tablilla impresa.
En un segundo intento utilizando una tablilla impresa que se muestra en la
figura 6.2, obtuve un mejor resultado eliminando el problema que tenia del pic
dañado, sin embargo se presentaron otro tipo de fallas en el CPP, una de ellas fue
que era demasiada la corriente que circulaba por las pistas, y por tal motivo estas no
resistieron debido a un error de calculo de área contra corriente y se abrieron esto lo
podemos ver en la figura 6.3.
Figura 6.3 Pistas abiertas por sobre corriente
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Otro de los problemas que se presento fue que el voltaje no era lo suficiente
para la alimentación del CPP, esto ocurría debido a que se utilizo una fuente
compartida, esto significa que el voltaje necesario para el CPP lo tome de una fuente
que el equipo de prueba eléctrica utilizaba para la alimentación de otro sistemas, eso
fue la causa de que el voltaje se cortara al momento de hacer la prueba y como no
era suficiente por tal motivo se apagaba y/o fallaba en la prueba.
Debido a que no era suficiente el voltaje, se diseño una segunda tablilla
impresa la cual podemos observar en la figura 6.4. Esta implementación cuenta con
una fuente de alimentación independiente, esto permite que el voltaje sea el
necesario para el CPP y así se elimino este problema de la caída del voltaje.
Figura 6.4 Circuito protector programable con fuente integrada.
Una vez terminada la tablilla con la ultima modificación se instalo el CPP en
el equipo de prueba funcionado a la perfección, no obstante se sigue monitoreando
diariamente, para cualquier modificación que se requiera ya que como es mucha la
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variedad de modelos que se trabajan y varían las corrientes es necesario tenerlo mas
tiempo, aunque cabe mencionar que ya se probaron los balastros con mas corriente,
es por ello que espero y no allá ningún tipo de problema al momento de probar los
modelos restantes. En este tiempo de haberse instalado y monitoreado el CPP, se
pudo evaluar que la disminución del tiempo muerto fue muy buena, es por ello que
sé esta pensando en un futuro inmediato hacer la implementación a cada equipo de
prueba eléctrica. Estos resultados los pueden ver reflejados en la siguientes graficas
que a continuacion se mostraran.
En grafica 6.1 puede apreciar que de noviembre del 2009 a enero del 2010 en
el área de final es donde se tiene mayor problema por falla de equipo de prueba, es
demasiado el tiempo muerto que se genera por: cortos circuitos, piezas malas, cables
invertidos, piezas mal conectadas, modelos equivocados etc.
Figura 6.1 Reporte de tiempo muerto noviembre del 2009 a enero del 2010
En la grafica 6.2, nos muestra de enero a marzo del 2010 se puede ver como
a disminuido de gran manera el tiempo muerto, esto se debe a que en dicho periodo
se implemento el circuito protector programable en el área de final.
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Figura 6.2 Reporte de tiempo muerto enero a marzo del 2010
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Capitulo 7
CONCLUSIONES
En el proyecto realizado se alcanzaron los objetivos establecidos al comienzo del
proyecto, uno de ellos y el más importante fue poder proteger el equipo contra cortos
circuitos, generados por diferentes circunstancias, entre ellas piezas malas y
mayormente por descuidos del personal operativo al hacer las conexiones de los
balastros, lo cual era la causa principal de que el equipo se dañara y las metas de
producción no se alcanzaran, debido ala implementación del circuito protector
programable ese problema se pudo eliminar por completo, los resultados obtenidos
fueron muy buenos ya que no solo se protegía el equipo, además se pudo reducir el
tiempo muerto que debido a estos descuidos se generaba, otro resultado satisfactorio
que se obtuvo fue el incremento en la producción diaria, debido a que el proyecto
logro y cumplió al 100% las expectativas, y gracias a esos resultados se a tomado la
decisión por parte de la empresa de implementar un circuito protector programable
para cada uno de los equipos de prueba en las diferentes áreas de producción.
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REFERENCIAS
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