circuito de fusibles

FUSIBLE VIRTUAL REINICIABLE

JoséAlfredoMijaresEnríquez

PresentadoalaacademiadeSistemasDigitalesyComunicaciones delInstitutodeIngenieríayTecnologíade LaUniversidadAutónomadeCiudadJuárez Parasuevaluación

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  ________________  _______________________ _______________ ________________ ____________  ____ 

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 Paraelpaís,Cd.Juárezrepresentalafronteramásimportantedelpaís,graciasala inversiónenelsectorindustrial.Nosoloconinversioneseninfraestructura,sinoen tecnología.Enestesector,sepresentaunfenómenoparticu tecnología.Enestesector,sepresentaunfenómenoparticularlautilizacióncadavez larlautilizacióncadavez masintensadeequipoeléctrico,elmayornumero masintensadeequipo eléctrico,elmayornumerodemaquinasutilizadasen demaquinasutilizadasenla la industriasonelectrónicas,locualsedañanfrecuentemente,yaseaporsobrecargaso unsobrevoltajeyestocausagrandesperdidasparalasempresas,yaque unsobrevoltajeyestocausagrand esperdidasparalasempresas,yaqueelpreciode elpreciode estosaparatossoncostosos,sintomarencuentalamanodeobray estosaparatossoncostosos,sinto marencuentalamanodeobrayeltiempono eltiempono productivoquegeneralacomposturadelequipo. Lamayorpartedelosequiposcuentanconunfusiblequesolo Lamayorpartedelosequiposcuentanconunfusibl equesolopuedenserutilizados puedenserutilizados unasolavez,yaqueestánhechosporunaláminade unasolavez,yaqueestán hechosporunaláminademetalquepermite metalquepermitequesefunda, quesefunda, medianteelefectoJoule,cuandohaypresenciade medianteelefectoJoule,cuandohaypresenciadesobrecorrienteosobrevoltaje sobrecorrienteosobrevoltaje. . Porestarazónescostosoparaunaempresamaquiladoraestarcomprandofusibles cadavesqueunosequema,tomandoencuent cadavesqueunosequema, tomandoencuentaquesisetien aquesisetienen60equiposde en60equiposdeprueba prueba eléctricaysequemaunfusiblediarioresultasercostosoestarcomprándolos. Hoyendía,elincrementocompetitivoenelmercadodelaindustriae Hoyendía,elincrementocompetitivoen elmercadodelaindustriaelectrónica,crea lectrónica,crea lanecesidaddediseñarsistemasconmejorescaracterísticas,demenortamaño,bajos requerimientosdeenergía,mejorrealización,tenie requerimientosdeene rgía,mejorrealización,teniendounespecial ndounespecialénfasissobretodo énfasissobretodo enlafacilidaddeduplicidaddel enlafacilidaddeduplicidaddelsistemadiseñado.Lalógicadefini sistemadiseñado.Lalógicadefinidaporelusuario daporelusuario (cliente),yrealizadaporelfabricante,permitein (cliente),yrealizadapore lfabricante,permiteindividualizaralossistemasdiseñados, dividualizaralossistemasdiseñados, asícomotambiénapegarsemásalosrequerimientosespecíficos asícomotambiénapegarsemásalosreq uerimientosespecíficosdelusuario(client delusuario(cliente). e). Esto,tienerepercusiónenelcosto,realización,compactabili Esto,tienerepercusiónen elcosto,realización,compactabilidad,desempeñoy dad,desempeñoy seguridaddeldiseño.

Esporelloquesepretendeimplementarunfusiblevirtualreiniciable,el Esporelloquesepretendeimplementarunfusible virtualreiniciable,elcualtendrá cualtendrá variasmejoras,Lamasimportanteesquealmomentodepresentarseunasobrecarga, elfusiblecortacompletamentelacorrientepro elfusiblecortacomple tamentelacorrienteprotegiendoasítodoslosi tegiendoasítodoslosinstrumentos nstrumentos conquecuenteelequipo,ydemaneraaut conquecuenteelequipo,ydemaneraautomáticasereinici omáticasereinicie,disminuyendoel e,disminuyendoel tiempoquesetardaríaensustituirunfusible“desechable”,Otradesusmejorasseria quesepuedeutilizarportiempoindefinid quesepuedeutilizarportiempoindefinidoyaqueporsucircuit oyaqueporsucircuiterianoesnecesario erianoesnecesario cambiarlocuandoocurraunasobrecargaosobrevoltaje.

Antecedentes de la Investigación Elfusibleeléctrico,denominadoinicialme Elfusibleeléctrico,denominadoinicialmentecomoaparatodeprotecció ntecomoaparatodeproteccióncontra ncontra sobrecorrienteporfusión,eseldispositivomásantiguode sobrecorrienteporfusión,ese ldispositivomásantiguodeproteccióncontrafallasen proteccióncontrafallasen circuitoseléctricos,apareciendolasprimerascitasbibliográficasenelaño1774, momentoenelqueseloempleabaparaprotege momentoenelqueseloempleabaparaprotegeracondensadoresdedañosfrente racondensadoresdedañosfrentea a corrientesdedescargadevalorexcesivo.Durantel corrientesdedescargadevalorexcesivo. Duranteladécadade1880escuando adécadade1880escuandose se reconocesupotencialcomodispositivoprotectordelossistemaseléctricos,que estabanreciéncomenzandoadifundirse. Desdeesemomento,hastalaactualidad,losnumerososdesarrollosylaapariciónde nuevosdiseñosdefusibleshanavanzadoalpaso nuevosdiseñosdefusibl eshanavanzadoalpasodelatecnología, delatecnología,yesque,apesarde yesque,apesarde suaparentesimplicidad,estedispositivoposee suaparentesimplicidad,est edispositivoposeeenlaactualidadunmuyelevadoni enlaactualidadunmuyelevadonivel vel tecnológico,tantoenloqueserefierealosmaterialesusadoscomoalas metodologíasdefabricación.Elfusiblecoex metodologíasdefabricación. Elfusiblecoexisteconotrosdispositivosprotectores, isteconotrosdispositivosprotectores, dentrodeunmarcodecambiostecnológicosmuyacelerados dentrodeunmarcodecambiost ecnológicosmuyaceleradosquelohacenaparecer quelohacenaparecer comopasadodemodauobsoleto,loquenoesasí. Lanecesidaddefusiblesdebajotamañoescadavezmayor,porlaminiaturizaciónde Lanecesidaddefusiblesdebajotamañoescadavezmayor,porlami niaturizaciónde laelectrónica,pudiendoafirmarquecadaequipo laelectrónica,pudiendoafirmarquecadaequipoelectrónicomodernop electrónicomodernoposeeenla oseeenla actualidadunoomásfusibles,comoporejemplolosteléfonosmóviles,lascámaras fotográficasdigitales,filmadoras,etc.Otrocampodemuybuen fotográficasdigitales,filmadoras,e tc.Otrocampodemuybuenaltodesarrolloactual altodesarrolloactual rdrlfrlfusibleparaautomotores,debidoalagregadocadavezmayordeelectrónicay electricidadaltransformarseenelautomóviltotalmentee electricidadaltransformarseenelautomóviltotalmenteeléctricoohíbridoene léctricoohíbridoenetapa tapa intermedia,enformamasiva,consuconsiguienteusoext intermedia,enformamasiva,consucon siguienteusoextensivodefusib ensivodefusibles. les. Elpróximodesarrolloqueseesperadefusibles,quedaríalugaralapróximaetapa,es elagregadodecapacidadohabilidaddetomade elagregadodecapacidado habilidaddetomadedecisionesode decisionesodeadaptación,que adaptación,que haríaquesuoperaciónseamodificadaporcondicionesde haríaquesuoperaciónseamodificad aporcondicionesdetrabajoindependie trabajoindependientede ntedela la magnituddelacorriente.Dandoasílugaraldeno magnituddelacorriente. Dandoasílugaraldenominadofusibleinte minadofusibleinteligente,delque ligente,delque yaseestánhabiendoalgunosavancestodavíain yaseestánhabiendoalguno savancestodavíaincipientesymuyprotegidosp cipientesymuyprotegidosporsus orsus posibilidadesdeserpatentados. 

Fundamentos Teóricos Laproducciónanualdefusiblessuperalos30millonesdeunidades,mientrasquee Laproducciónanualdefusiblessuperalos30millonesde unidades,mientrasqueenla nla Argentinaseutilizanaproximadamente300.000unidadesanu Argentinaseutilizanaproximada mente300.000unidadesanuales.Unaindustriade ales.Unaindustriade tamañomediopuedetenerinstaladosalgunoscent tamañomediopuedet enerinstaladosalgunoscentenaresdefusiblesyenu enaresdefusiblesyenun n automóvilmodernopuedenencontrarseenuso automóvilmodernopueden encontrarseenusoentre40y60fusibles.Cadaequ entre40y60fusibles.Cadaequipo ipo electrónicoposeealmenosunfusible,cuyost electrónicoposeealmenosunfusible,cuyostamañospuedensertanpequeñoscomo amañospuedensertanpequeñoscomo lacabezadeunfósforodemadera.Enelotroextremo,oseaparaaplicacionesdealta tensiónyconaltapotenciadecortocircuito, tensiónyconaltapotenciadecortocircuito,seencuentranfusiblescuyopeso seencuentranfusiblescuyopesoronda ronda los20Kilogramos. Apesardequealgunospronosticadoresinteresadosvaticinanlaprontadesaparición Apesardequealgunospronosticadoresinteresadosvaticinanl aprontadesaparición delfusible,lasestadísticasdeproducciónanivelmundiali delfusible,lasestadísti casdeproducciónanivelmundialindicanelcrecimient ndicanelcrecimiento o constantedelmercado.Paraalgunostiposdefusib constantedelmercado. Paraalgunostiposdefusibleselcrecimientoesmuyelevado, leselcrecimientoesmuyelevado, comoeselcasodelosdispositivosparacircuitoselectrónicosde comoeselcasodelosdi spositivosparacircuitoselectrónicosdebajapotenciaylos bajapotenciaylos elementosparausoenautomóviles.Encambio,paralosfusiblestradicionales(bajay mediatensión,yaltacapacidadderuptura)se mediatensión,yaltacapacidadderuptura)seestimauncrecimientocon estimauncrecimientoconmenor menor velocidad,delordendelcrecimientodelossist velocidad,delordend elcrecimientodelossistemaseléctricos,querondael3% emaseléctricos,querondael3%anual. anual. Elprincipiodefuncionamientodelfusible Elprincipiodefuncionamientodelfusibleesmuysimple:sebasaenintercalarun esmuysimple:sebasaenintercalarun elementomásdébilenelcircuito,d elementomásdébilenelcircuito,demaneratalquecuandolacorriente emaneratalquecuandolacorrientealcance alcance nivelesquepodríandañaraloscomponentesdelmismo,e nivelesquepodríandañaral oscomponentesdelmismo,elfusiblesefundae lfusiblesefundae interrumpalacirculacióndelacorriente.Queelele interrumpalacirculacióndel acorriente.Queelelementofusibleoeslabóndé mentofusibleoeslabóndébildel bildel circuitoalcancelafusiónnoimplicanecesariament circuitoalcancelafusiónn oimplicanecesariamentequeseinterrumpalacorriente, equeseinterrumpalacorriente, siendoestadiferencialaclaveparaentenderlatecnol siendoestadiferencia laclaveparaentenderlatecnologíainvolucradaenel ogíainvolucradaenel aparentementesimplefusible. Alolargodelosañoshanidoapareciendofusiblesparaaplicacionesespecíficas,tale Alolargodelosañoshanidoapareciendofusible sparaaplicacionesespecíficas,tales s comoprotegerlíneas,motores,transformadoresdepotencia,transformadoresde tensión,capacitores,semiconductoresdepotencia,condu tensión,capacitores,semiconduct oresdepotencia,conductoresaislados(cables), ctoresaislados(cables), componenteselectrónicos,circuitosimpresos,circuitosintegrados,etc.Estostipostan diversosdefusiblesposeencaracterísticasdeselecciónmuydisti diversosdefusiblesposee ncaracterísticasdeselecciónmuydistintas,loquehace ntas,loquehace complejasucorrectaselección. Esterangotanampliorequierequeelusuariodefusiblesposeaunimportanteni Esterangotanampliorequierequeelusuariodefusible sposeaunimportantenivel vel deconocimientos,quenoesfácildeadqui deconocimientos,que noesfácildeadquirirporlafaltadematerialinformativ rirporlafaltadematerialinformativode ode fácilacceso. Hayqueconsiderarotrofactorimportante,queeslaexistenciadefusibles respondiendoanormalizacionesdediversospaíses.Cuandosehabladelossistemas dedistribucióndeenergíaeléctrica,seempleanennue dedistribucióndeenergíaeléctrica,seempleanennuestromediofusiblesde stromediofusiblesdealta alta potenciarespondiendofundamentalmenteanormaseuropeas,peroparala distribucióndemediatensiónybajapotenci distribucióndemediatensiónybajapotencia,seempleaneleme a,seempleanelementosafinesala ntosafinesala normalizaciónnorteamericana.

Lanormalizacióneuropea,enlaactualidadprácticamentesehaunificadoenlas normasIEC(InternationalElectrotechnicalComission),peroennuestromediotodavía hayinfinidaddedispositivosinstaladoscuyoorigenprovienedetiemposanterioresa launificación.Lasituaciónseempeoramuchocuandosehacereferenciaalosfusibles instaladosenequipos,yaseanindustriales,electrodomésticosoelectrónicos,pueslos dispositivosrespondenalasnormasdelpaísdeorigendelequipamiento. Elabanicodeposibilidadesdefusiblesparaequiposdebajatensiónesprácticamente ilimitado,pudiendoafirmarsequecadapaísdelmundoestárepresentadoconalgún fusible.Frenteaestasituación,lareposicióndelfusibleesmuydifícildelograr,porlo quedeberecurrirsealreemplazoporeldispositivodecaracterísticastanparecidas comoseaposible,loquenuevamenterequieredeunbuenniveldeconocimientospor partedelusuario.

Teoria de operación Basicamente, este sistema detecta la corriente que pasa por el o los sensores, los cuales convierten esa corriente en un voltaje sinoidal analogo de baja amplitud medianteelefectoHall,elcualseconvierteenunnumerodigitalde12bits,dentro del PIC. Este numero es comparado con un valor preestablecido como maximo, 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/sensando.Tambien,dentro deelprogramadisenadoparaestePIC,dichovalorconvertidoesmandadoporunode suspuertosde8bits,elcualsegrabaenunregistroPIPO,estoconelfindecrearun sistemadecomunicaciónconotrotipodecontrol.

Material Utilizado Cantidad 1 0 1 1 1 1 1 0 1 2 2 2 1 1

Descripcion 5 Vdc Voltage regulator 10Kohm trim potentiometer Darlington Opto coupler 6 dip socket 28 dip socket Microcontroller PIC18F2220 5Vdc SPDT relay 20.00MHz oscillator 3 State Parallel Register 2 Pole Male Connector Hall Efect Current Sensor 75 Ohm Fixed Resistor Virtual_Sensor Board 34 pos connector

Diagrama y Componentes Componentes 5 Vdc Voltage regulator 10Kohm trim potentiometer Darlington Opto coupler 6 dip socket 28 dip socket Microcontroller PIC18F2220 5Vdc SPDT relay 20.00MHz oscillator 3 State Parallel Register 2 Pole Male Connector Hall Efect Current Sensor 75 Ohm Fixed Resistor Virtual_Sensor Board 34 pos connector

Identificacion TR1 R4 IC5 IC5* IC6* IC6 IC4 IC3 IC7&8 CN2&3 IC1&2 R1 R2 CN1

R4

CN3

OE  NC

18

1

14

Vcc

MCLR 

LOOP

19

RA0 RA1

IC3

RA2 RA3 RA4

IC1

GND

7

8

OUT

RA5 Vss

    1

    2

    V     +

    V   -

    3

OSC1

    P     /     O

OSC2 RC0

CN2

RC1

R1

RC2

R3 18

LOOP

19

RC3

1

28

2

27

3

26

4

25

5

24

6

23

7 8

IC6

22 21

9

20

10

19

11

18

12 13 14

17 16 15

RB7

1D

RB6

2D

RB5

3D

RB4

4D

RB3

5D

RB2

6D

RB1

7D

RB0

8D

VDD

GND

1

12

NO

10

IC4

IC2 GND     1     V     +

NC

    2     V   -

    3

6

   5     T     A     C

   2     T     A     C

   6     C     N

7

COM

IC5

   1     N     A

18

4

17

5 6

16

IC7

15

7

14

8

13

9

12

10

11

1

2Q

2

3Q

3

4Q

4

5Q

5

6Q

6

7Q

7

8Q

8

LE

9 10

RC5

11

RC4

12 OE 1D

5D 6D 7D 8D GND

    P     /     O

19

3

1Q

RC6

4D    3     C     N

2

CN1

Vcc

RC7

3D    4   I     M     E

20

Vss

2D SIGNAL

1

1

20

2

19

3

18

4

17

5

16

6 7

IC8

15 14

8

13

9

12

10

11

Vcc

13

1Q

14

2Q

15

3Q

16

4Q

17

5Q

18

6Q

19

7Q

20

8Q

21

LE

22 23 24 25

R2

26 27

TR1

28 3

2

1

29 30 31 32 33 34

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

•

Realizarelprogramaparaelmicrocontrolador

•

Realizarpruebasentreelhardwareyelsoftware

•

Implementarelproyectocompleto

•

Discutirydefinirconclusionesyrecomendacionesdelproyecto

•

Documentarelproyecto

•

Presentacióndelproyectoenexamen

Metas •

•

Investigaralmenos10fuentesdeinformaciónsobredesarrollodesistemas conmicrocontroladoresparafindeagosto. SeleccionarelPICquecumplaconlosrequisitosyaplicacionesparael27de septiembre.

•

Obtenereldiagramadelmicrocontroladorparael3deoctubre

•

Generarelcódigoparael9deoctubre.

•

•

•

CodificaryllevaracabolaprogramacióndelPICenbasealcódigodiseñado parael15denoviembre. Llevaraacaboalmenos3pruebasdelsistemacompletoparael20de noviembre. Finalizarladocumentaciónyreportefinalparael30denoviembre.

Acciones •

Accionesparameta1:

‐

InvestigarbibliotecaUACJ

‐

InvestigarbibliotecaUTEP

‐

InvestigarInternet

‐

Entrevistasyvisitas

•

Accionesparameta2:

‐

InvestigarPIC

‐

Analizarrequerimientos

‐

Analizarfunciones

•

Accionesparameta3:

‐

ObtenerdiagramaMicrochipTechonology

‐

Generarcódigo

•

Accionesparameta4:

‐

ProgramarMPLAB

•

Accionesparameta5:

‐

Finalizarcircuito

•

Accionesparameta6:

‐

Organizardocumentación

Requerimientos y Materiales •

Requerimientoparameta1:

‐

ComputadoraconInternet

‐

CredencialdelaUACJ

‐

CredencialUTEP

‐

Tiempo(23horas)

•

Requerimientoparameta2:

‐

softwaredeanálisis

‐

Tiempo(27horas)

•

Requerimientoparameta3:

‐ComputadoraconInternet •

Requerimientoparameta4:

‐

Softwaredeprogramación

‐

Programador

•

Requerimientoparameta5:

‐TablillaImpresa •

Requerimientoparameta6:

‐

Buenaimpresoraositiodeimpresión

Referencias •

DESARROLLOYPROGRAMACIONENSISTEMASDIGITALES deMARTINEZSANCHEZ,VIC TORIANOANGEL RA‐MA1993

•

MICROCONTROLADORPIC16F84DESARROLLODEPROYECTOS(3ªEDICION)dePALACIOS MUNICIO,ENRIQUEyREMIRODOMINGUEZ,FERNANDO RA‐MA,2009

•

ELECTRONICAGENERAL deALCALDESANMIGUE L,PABLO THOMSONPARANINFO,2008

•

AplicacionesdelosmicrocontroladoresPICdeMicrochip J.Ma.AnguloUsategui,E.MartínCuencayJ.AnguloMartínez EditorialMcGrawHill,1998

•

MicrochipPICMicrocontrollers DataBook,MicrochipTechnologyInc. Microchip,Theembeddedcontrolsolutionscompany,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

Investigaralmenos 10fuentesde informaciónsobre desarrollode sistemascon microcontroladores

vestigar bliotecaUACJ/ EP

Obtenerel diagramadel microcontrola dory Esquemático

Analizar requerimientosy funciones

InvestigarInternet Entrevistasyvisitas

mputadora nInternet

Realizarpruebas entreelhardware yelsoftware

Diseñarel programaparael microcontrolador

Seleccionarel PICquecumpla conlos requisitosy aplicaciones

Obtenerdiagrama Microchip Techonology

Codificaryllevar acabola programacióndel PICenbaseal código

Programar MPLAB

Generarcódigo

Tiempo(23horas)

Finalizarla documentación yreportefinal

Finalizar circuito

Organizar documentación

Buena impresorao sitiode impresión

Computadoracon Internet

Programador

CredencialdelaUTEP

Presentación delproyectoen examen

Softwarede programación

Tiempo(27horas)

Credencialdela UACJ

Llevara acaboal menos3 pruebasdel sistema

Tablilla Impresa

InvestigarPIC

Softwaredeanálisis

Implementar elproyecto completo

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

FIRMADO EN ORIGINAL

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

ii

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.

iii

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

iv

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

v

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

1

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.

2

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

3

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

4

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

5

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.

6

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.

7

(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

8

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 bimetálica 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

9

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).

10

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 Codificadordecodificador 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

11

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).

12

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.

13

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.

14

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.

15

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

16

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

17

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

18

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.

19

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

20

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

21

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 RS232), 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.

22

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.

23

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.

(c)

(a) (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

24

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

25

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

26

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). CN3 18

MCLR 1

LOOP

19

RA1

3

RA2

4 RA3 5

IC1

RA4 6 RA5

R5      1

     2

     3

     V     +

     V   -

     P      /      O

CN2

Vss 8 OSC1 9 OSC2

D2

10

RC0 11 RC1 12

R1

RC2

R3

18

7

RC3

13 14

OE 1 1D2

Vcc 20 191Q

RB5 26 RB4 25 24RB3

2D3 3D 4 4D 5 5D6

182Q 3Q 17 4Q 16 155Q

23RB2 RB1 22 21RB0

6D7 7D 8 8D9

20VDD Vss

GN D 10

28RB7 27RB6

RA0 2

IC6

IC7

CN1 4116-1/8 4116-2/8 4116-3/8 4116-4/8 4116-5/8 4116-6/8 4116-7/8 4116-8/8

146Q 7Q 13 128Q 11LE

19

1

20

2

19

3

18

4

17

5

16

6

15

7

14

8

13

9

12

10

11

18RC7 17RC6 RC5 16 RC4

R4

15

LOOP

19

SIGNAL

1

D3

IC4

IC2 GND 6      1      V     +

     2

     3

     V   -

     P      /      O

12

NO

10NC

D1     4    I        M      E     5      T       A      C

7

COM

    6      C       N

IC5

    3      C       N     2      T       A      C    1       N A

JP1 SerialPort

R2 TR1 3 2 1

TR2 3 2 1

TR3 3 2 1

BRG1 INLET(120VAc) T1 C2

C1

Figura 5.8 Esquemático

27

#include COUNT1 equ COUNT2 equ COUNT3 equ HILIMIT equ HILIMIT2 equ

Movlw movwf movlw movwf movlw movwf clrf MOVLW MOVWF clrf clrf clrf movlw movwf CLRF CLRF movlw movwf bsf clrf clrf bsf endless bsf bcf call btfsc movlw cpfslt bsf endless2 bsf bcf call btfsc movlw cpfslt goto

bsf

0x0010 0x0011 0x0013 0x0015

;0x2F0 0x0016

0x7F OSCCON 0x3F OSCTUNE 0x07 CMCON ADCON0 0X0D ADCON1 LATA LATB LATC 0xFF

TRISA TRISB TRISC 0xBF ADCON2 ADCON0, 0 ADRESL ADRESH INTCON,5 ;one time waits until the conversion ends

goto call

PORTC,2 PORTC,4 DELAY ADCON0 ,1 endless 0x02 ADRESH ledon ADCON0 ,1 ;second scan on the channel 0

goto call

PORTC,4 PORTC,2 DELAY ADCON0 ,1 endless2 0x02 ADRESH ledon ADCON0,1

endless

28

ledon movlw cpfsgt

lo1

return

return

bcf bsf bsf MOVLW MOVWF bsf btfss goto bcf bcf clrf bsf clrf clrf

DELAY

loop_res loop1

;if the conversion reach the 2 most significants bits ;compares the 8 less significat bits 0x9F ADRESL PORTC ,4 PORTC ,3 PORTC ,2 0X86 T0CON PORTC ,3 INTCON ,2 lo1 INTCON ,2 T0CON ,7 PORTC PORTC ,4 ADRESL ADRESH

;subrutine,

movlw movwf movlw movwf decfsz decfsz

return

goto goto

just in case 0x40 COUNT2 0x40 COUNT1 COUNT1,1 loop1 COUNT2,1 loop1

;.00005 sec0

end

29

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.

30

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.

31

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

32

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

33

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.

34

Figura 6.2 Reporte de tiempo muerto enero a marzo del 2010

35

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.

36