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Tutorial Uso Módulo Control AC de Fase y On-Off de cargas AC

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En este tutorial vamos a explicar el funcionamiento del Módulo Control AC y haremos un ejemplo en programación Arduino para controlar una carga ac, específicamente controlaremos la intensidad lumínica de una bombilla y con otro ejemplo para Arduino controlaremos la conmutación ON/OFF de la misma. También puedes ver el video demostrativo de los ejemplos al final de este tutorial.

 

El Módulo de Control AC es una tarjeta electrónica que te suministra toda la lógica de control para cargas AC tipo monofásico (120VAC ± 25%), brindando un aislamiento óptico con el fin de proteger y aislar tu sección DC de la sección AC. En la sección DC puedes tener por ejemplo una tarjeta Arduino, Raspberry Pi, Beagle Bone, Mbed, Banana Pi, ChipKit, Ti Launchpad, microcontrolador, etc. y en la sección AC puedes tener cargas resistivas como bombillas, planchas, cautín, etc. o inductivas tales como motores, para lo cual la tarjeta también provee una red tipo Snubber.

Revisión del Módulo

listado de conexiones

Figura 1. Entradas y salidas del Módulo Control de Fase AC.

En la figura No.1 observamos las distintas conexiones que tiene este módulo. En los conectores de bloque (arriba: azules y atornillables) conectamos la parte ac así: a la izquierda la energía eléctrica de entrada que viene de la red pública y a la derecha la carga que queremos controlar. En la parte inferior están las conexiones a la lógica de control DC, de izquierda a derecha así:

Línea Azul: Se conecta la línea de sincronismo del módulo a una entrada digital de un sistema embebido o microcontrolador.

Línea Negra: Se conecta a la línea GND del sistema embebido o microcontrolador.

Línea Verde: Se conecta la línea de disparo del módulo a una salida digital de un sistema embebido o microcontrolador.

Línea Roja: Se conecta a la línea de VCC del sistema embebido o microcontrolador.

 

Funcionamiento

Con las líneas roja (VCC) (en un rango de 3 vdc a 5.5 vdc) y negra (GND) creemos que no tendrás problemas, por tanto pasamos a ampliar un poco más lo que son las líneas de sincronismo (Sync) y disparo (Trigger). Para ello vamos a tener presente la figura 2.

control de fase teoria con cruce por cero

Figura 2. Señales del control de fase AC.

La línea de Sincronismo (SYNC): Esta señal es una señal digital que el Módulo Control de Fase AC envía para que el sistema embebido o microcontrolador sepa en qué momento se encuentra la señal de la red pública de entrada y así poder disparar la sección de potencia o AC. En la figura 2 esta señal es la representada en (b), es una onda cuadrada cuya amplitud máxima es determinada por el valor de VCC del sistema embebido o microcontrolador con la que se conectó la línea azul de la figura 1; su periodo depende de la frecuencia del sistema AC de la región, que para nuestros ejemplos asumiremos que es de 60 Hz. El periodo para el caso de señales de 60 Hz es 8,33 milisegundos (ms), esto según la ecuación T= ½(frecuencia en Hz), así su tiempo en alto es 8,23 milisegundos (ms) y en bajo 100 microsegundos (us). La señal de sincronismo tomada del módulo en un osciloscopio análogo la podemos observar el la figura 3.

figura3afigura3b

 Figura 3. Señal de sincronismo enviada por el Módulo Control de Fase AC.

Pero, ¿Cómo así disparar la sección de potencia o AC?, con esto nos referimos a cuál es el ángulo de disparo o momento en el cual activamos la carga AC. Observemos nuevamente la figura 2. En (a) tenemos la señal ideal proveniente de la red eléctrica pública, es decir 120VAC ±25% 60Hz, ya que ni nosotros ni nuestro sistema embebido o microcontrolador sabé cuál es el ángulo actual de esa señal (pues por lo general estos dispositivos no tienen un osciloscopio incorporado ) ¿cómo saber en qué momento la señal cruza por 0 grados, 180 grados, 360 grados, etc.?, para ello se requiere una señal de sincronismo que lo que hace es indicarnos cuando la señal pasa por 0 rad, π rad, 2π rad, etc. de tal forma que el sistema embebido o microcontrolador pueda ubicar esos puntos y así poder controlar que porción de la señal de entrada de la red eléctrica enviamos a la carga.

Las curvas (c) y (d) de la figura 2 representan dos “transferencias” de señal de entrada de la red eléctrica pública a la carga, indicadas con color verde-azulado. En (c) hay un ángulo de conducción mucho mayor que el mostrado en (d). Los indicadores tipo flecha de color naranja muestran el punto del ángulo de fase al cual hemos ordenado desde nuestro sistema embebido o microcontrolador que se “transfiera” dichas porciones de señal. Observando con detenimiento el ángulo de fase en (c) es mucho menor que el de la señal (d), por tanto habrá mucha más señal de la red pública “transferida” a la carga, que el mostrado en (d). En la figura 4 vemos una ampliación sobre los ángulos de fase y ángulos de conducción y eres completamente libre de quedarte con alguno de estos dos, preferiblemente con el que más cómodo te sientas.

angulo de conduccin y angulo de fase

Figura 4. Ejemplo de ángulos de fase y conducción en el Módulo Control de Fase AC.

La línea de Disparo (TRIGGER): Visto y comprendido lo que es la señal de sincronismo, nos quedará mucho más sencillo comprender que es la señal de disparo. Retomemos nuevamente las puntas de flecha naranja de la figura 2 en las señales (c) y (d), ellas indican en que momentos o ángulos de fase queda liberada la señal de entrada de la red pública para ser “transferida” a la carga. Dichas puntas de flecha son los pulsos enviados por el sistema embebido o microcontrolador al Módulo Control de Fase AC en el momento (ángulo) elegido por el usuario y programado en dicho sistema embebido o microcontrolador. Como pueden imaginarse existen múltiples momentos (ángulos) que el usuario puede querer disparar, tal como se muestra en la figura 5.

puntos de disparo

Figura 5. Múltiples ángulos de disparo

Ahora un poco de matemáticas……

El voltaje RMS de salida sobre una carga resistiva está determinado por:

formula 1; Donde α es expresado en radianes y Vp es el voltaje pico de la señal. Para el caso de una red de 120 VRMS es de 169 voltios pico.

Si el Módulo Control de Fase AC se dispara en cero radianes: el voltaje RMS sobre la carga será:

 formula2 

Si el modulo se dispara en π/2 radianes (90 grados): el voltaje RMS “transferido” a la carga será:

formula3

Estos 90 grados para una red de frecuencia 60 Hz supone un retardo en tiempo desde la recepción de la señal de sincronismo y el envió de la señal de disparo/trigger de:

formula4 . Esto significa que para obtener un voltaje rms transferido a la carga que corresponda a la mitad de la señal de la red pública se debe enviar el disparo al Módulo Control de Fase AC desde el sistema embebido o microcontrolador a los 4166 microsegundos como en la figura 6 color rojo, y si queremos trasmitir las tres cuartas partes de la señal de la red pública a la carga se debe enviar el disparo al Módulo Control de Fase AC desde el sistema embebido o microcontrolador a los 2083 microsegundos, figura 6 color azul.

figura 6

 

Figura 6. Señal sobre la carga con disparos a 90º y 45º.

Un último ejemplo, para la figura 2 señal (d). Si el Módulo Control de Fase AC se dispara en 5π/6 radianes (150 grados): el voltaje RMS sobre la carga será:

formula5

Estos 150 grados para una red de frecuencia 60 Hz supone un retardo desde la recepción de la señal de sincronismo y el envió de la señal de trigger un retardo de:

formula6

De esta manera el usuario o diseñador podrá determinar el voltaje o señal de voltaje que envía a la carga con respecto al ángulo de fase del Módulo Control de Fase AC y es lógico pensar en dejar un tiempo mínimo de seguridad entre el ángulo máximo que se desee manejar y el inicio del siguiente semiciclo de la onda AC para evitar enviar a la carga un voltaje máximo, cuando en realidad deseamos enviar un voltaje mínimo. Como vimos en los anteriores cálculos, con un ángulo de 150 grados nos provee un voltaje significativamente bajo. Es posible reducir aun mas este voltaje utilizando un ángulo de 160 o 170 grados pero es necesario tener en cuenta dejar márgenes de seguridad que no nos lleven a resultados indeseados sobre la carga.

Cómo indicamos anteriormente disponemos 8,23 milisegundos para una red pública de 60 Hz, para poder disparar o controlar nuestro ángulo de fase o ángulo de conducción, sin embargo para evitar umbrales de indeterminación y para facilitar la comprensión y uso del Módulo Control de Fase AC limitaremos este tiempo a 7 milisegundos, es decir 7000 microsegundos. Es mejor que trabajemos en microsegundos para que tengamos en mente que tenemos 7000 posibilidades, teniendo en cuenta solo números enteros, de transferir la señal de la red pública a nuestra carga AC, y eso que solo estamos hablando de los dos primeros cuadrantes (0º grados/0 rad. a 180º grados/π rad.). En caso que necesitemos trabajar sobre los 4 cuadrantes (0º grados/0 rad a 360º grados/2π rad.) entonces tendríamos 14000 posibilidades de transferir la señal de la red pública a nuestra carga AC.

Bueno, pero ¿cuál es el tiempo del pulso de disparo que debemos enviar desde el sistema embebido o microcontrolador?. Para responder esta pregunta retomemos las imágenes obtenidas con osciloscopio de la figura 3, allí se observa que la señal de sincronismo enviada por el Módulo Control de Fase AC tiene una duración de cien microsegundos contando desde el flanco de bajada, así lo que el usuario o el programador del sistema embebido o microcontrolador debe tener en cuenta es detectar el flanco de bajada y luego producir un pulso de disparo promedio en alto, es decir de entre 50us y 90us de duración con el fin de dejar un margen de tiempo para la caída del pulso y suficiente tiempo para que este sea tomado por el Módulo Control de Fase AC.

Manos a la obra…

Los materiales que requrimos para estos ejemplos son los siguientes:

  • Módulo de control de fase que los puedes adquirir aqui
  • Arduino Uno que los puedes adquirir aqui
  • Cable USB AB que los puedes adquirir aqui
  • Cables jumper macho-macho que los puede adquirir aqui
  • Una roseta o plafón para bombilla ac, que si no los tienes los puedes adquirir en cualquier ferretería o almacén de eléctricos.
  • Una extensión de cable dúplex No.16 con enchufe en un extermos,  que si no los tienes los puedes adquirir en cualquier ferretería o almacén de eléctricos.
  • Una bombilla de 100w o menor a 120Vac,  que si no la tienes la puedes adquirir en cualquier ferretería o almacén de eléctricos.
  • medio metro de cable dúplex No.16, que si no la tienes la puedes adquirir en cualquier ferretería o almacén de eléctricos.

Algunas herramientas básicas como: destornillador/desarmador de pala, destornillador/desarmador de estrella. Y accesorios como cinta aislante.

 

1. Control de intensidad lumínica en una bombilla.

El siguiente ejemplo de código para Arduino hace que el Módulo Control de Fase AC decremente la intensidad de una bombilla incandescente desde su máxima intensidad hasta estar apagada completamente, corriendo el ángulo de conducción cada 2 microsegundos de izquierda a derecha (de 0º /0 radianes a 180º/π radianes) o incrementado el ángulo de fase para las figuras 2, 4 y 5. Esto significa que correremos el ángulo de conducción o aumentaremos el ángulo de fase como en las señales (c) y (d) de la figura 2.

El esquema de montaje lo podemos observar en la figura 7.

esquema conexion bombilla

 

Figura 7. Esquema de conexiones para el ejemplo 1: control de intensidad lumínica de una bombilla AC.

Código Arduino

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/******************** Control de intensidad lumínica *********************/
/* Este código se pone a disposición del público con la única intención  */
/* de dar un ejemplo demostrativo para el Módulo Control de Fase AC      */
/* comercializado por Electrónica Plug and Play. Este código se brinda   */
/* tal y como es y sin la intención de solucionar un problema particular.*/
/* El usuario es libre de modificarlo o adaptarlo para su aplicación     */
/* particular.                                                           */
/* Este código para Arduino lee la señal de sinconismo del Módulo Control*/
/* de Fase AC y empieza a incrementar el ángulo de fase de 0 a 7000 us en*/
/* pasos de 2 us lo que produce un decremento progresivo cada 2 us en la */
/* señal de la red pública transferida a la bombilla, por ende la        */
/* intensidad lumínica disminuye progresivamente.                        */
/* Los pines digitales utilizados en la tarjeta Arduino Uno son el 4, el */ 
/* 8 y el led en la tarjeta Arduino Uno correspondiente al pin 13.       */
/* Author: Electrónica Plug and Play.                                    */
/* Company: www.electronicaplugandplay.com                               */
/* Creation date: April 21, 2017.                                        */
/*************************************************************************/
 
int sync = 4; // este es el pin de sincronismo o SYNC
int led = 13; // un led para ayudar a visualizar ciclos
int trigger = 8; // este es el pin de disparo o TRIGGER
 
int mivariabletime = 0; //variable para medir los tiempos de disparo
 
//zona de configuraciones
void setup() {
  pinMode(led, OUTPUT); //led es una salida
  pinMode(sync, INPUT);//pin de sincronismo es una entrada
  pinMode(trigger, OUTPUT);//pin de disparo es una salida 
  digitalWrite(trigger, LOW);//incializamos la señal de disparo en cero 
}
// ciclo infinito
void loop() {
  digitalWrite(trigger, LOW);  
  digitalWrite(led, LOW);
  if(pulseIn(sync , LOW) > 10); //Esperamos un flanco de bajada y que la duración en bajo sea mayor a 10us  
  {               
    delayMicroseconds(mivariabletime); 
    digitalWrite(trigger, HIGH); // enviamos el pulso alto de disparo
    delayMicroseconds(50);    // por al menos 50 microsegundos 
    digitalWrite(trigger, LOW);  // luego ponesmos a bajo la linea de disparo       
  }
  //incrementamos la variable de tiempo de disparo para ir disminuyendo el ángulo de conducción
  //o lo que es los mismo ir aumentando el ángulo de fase.
  mivariabletime = mivariabletime + 2; 
  if (mivariabletime >= 7000) // si ya pasaron 7000 microsegundos
  {
    digitalWrite(trigger, LOW);
    mivariabletime = 0;      // reinicie la variable de tiempo
    digitalWrite(led, HIGH); // activa el led del pin 13 por dos segundos para
    delay(2000); // indicarle al usuario que se ha completdo el ciclo de decremento
    digitalWrite(led, HIGH);  // de intensidad lumínica 
  }   
}

 

2. Control de encendido y apagado (ON-OFF) en una bombilla.

Para la conmutación ON/OFF de una carga AC brindamos el siguiente ejemplo de código Arduino:

Código Arduino

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/******************** Control on-off de una carga ac *********************/
/* Este código se pone a disposición del público con la única intención  */
/* de dar un ejemplo demostrativo para el Módulo Control de Fase AC      */
/* comercializado por Electrónica Plug and Play. Este código se brinda   */
/* tal y como es y sin la intención de solucionar un problema particular.*/
/* El usuario es libre de modificarlo o adaptarlo para su aplicación     */
/* particular.                                                           */
/* Este código para Arduino lee el pin 11 de arduino para determinar su  */
/* estado y si esta en alto enciende una bombilla de tipo AC efectuando  */
/* un disparo al Módulo Control de Fase AC a través del pin 8.           */
/* Los pines digitales utilizados en la tarjeta Arduino Uno son el 11 y  */
/* el 8.                                                                 */
/* Author: Electrónica Plug and Play.                                    */
/* Company: www.electronicaplugandplay.com                               */
/* Creation date: April 21, 2017.                                        */
/*************************************************************************/
 
 
int trigger = 8; // este es el pin de disparo o TRIGGER
int onoff = 11;  // en este pin damos la orden de on u off colocandolo a GND o a Vcc(3.3Vdc)
 
//zona de configuraciones
void setup() {  
  pinMode(trigger, OUTPUT);  
  pinMode(onoff, INPUT);  
}
 
// ciclo infinito
void loop() {
  int Estado=digitalRead(onoff); // lee el estado del pin onoff
  if(Estado==0)// si pin onoff está en LOW, entonces apague bombilla AC
  {
    digitalWrite(trigger, LOW);
  }
  if(Estado==1)// si pin onoff está en HIGH, entonces encienda bombilla AC
  {
    digitalWrite(trigger, HIGH); // transfiriendo toda la señal de la red AC pública
  }
}

El esquema de conexión para este ejemplo de uso del Módulo Control de Fase AC lo podemos observar en la figura 8.

esquema conexion bombilla on off

 

Figura 8. Esquema de conexiones para el ejemplo 2: control ON/OFF de una bombilla AC.

 

Para ver el funcionamiento de los ejemplos expuestos aqui no dejes de ver este video:

 

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Aquí el tutorial escrito.

 

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