Circuitos de Detección de Cruce por Cero Wilson Wilson Fonseca, Erick Ñaupari, Cristian Pinta Power Electronics, Electronics, Static Converters Converters and Control Control of Machines, Machines, Escuela Politécnica Politécnica Nacional Nacional Quito, Ecuador
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- Este Este docum documen ento to desc descri ribe be las las prin princi cipa pale less características de circuitos empleados para la detección del cruce por cero que se pued pueden en util utiliz izar ar para para dete determ rmin inar ar el tipo tipo de la form formaa de onda onda,, el nive nivell promedio de la señal, ayudar a integrar o diferenciar seña señale les; s; adem además ás se most mostra rará rán n vari varios os ejem ejempl plos os de circuitos implementados así como el análisis respectivo de cada uno de los mismos
Abstract
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La transmisión de señales digitales digitales en corriente alterna, alterna, o AC, es imposible sin la asistencia de un detector de cruce por cero. stos, son circuitos el!ctricos el!ctricos "ue detectan cuando la corriente alcan#a el punto de cruce por cero de la onda.
usuario sube mu( r&pido el 'olumen. Cuando la ganancia sólo se aumenta en los puntos de cruce por cero, no %a( entrada ni ruido de señal. Comparadores Los detectores de cruce por cero traba)an usualmente en con)un con )unto to con los compar comparado adores res,, "ue son dispos dispositi iti'os 'os el!ctricos "ue comparan la *uer#a de la señal 'olta)e o corriente- ( cambian la salida basada en la señal m&s *uerte. $ient ientra rass "u "uee los los ampl amplii*ic *icador adorees compa ompara rado dore ress operacionales an&logos son ampliamente usados, los c%ips dedicados comparadores de 'olta)e *uncionan me)or para los dispositi'os digitales.
$uc%os circuitos electrónicos operan con doble polaridad, el detector de cruce por cero se encarga precisamente de sens sensar ar cuan cuando do se prod produc ucee el cambi cambioo de polar polarid idad ad.. Para detectar el cruce por cero de una señal electrónica de una sola polaridad, se debe encontrar la componente de continua la cual dar& el ni'el de cero, ( luego el circuito operar& con tal ni'el para sensar cuando la señal est! por encima o por deba)o de tal ni'el. En cuanto para una señal "ue no posea ni'el de continua continua (a sea sea po por" r"ue ue se la %a *ilt *iltra rado do se debe deber& r& traba traba)a )arr po por r promedios, integrando la señal ( luego determinar el punto de cruce para determinar cuando la señal est& por deba)o del ni'el promedio ( cuando est& por arriba de tal ni'el.
*ig+ (ircuito protector de cruce por cero
!!! %E$E(!)" A. Etapa de cruce por cero
!!*'"(!)" Los detectores de cruce por cero son 'itales en la transmisión de señales digitales a tra'!s de los circuitos de corriente alterna, tal como los módems u otros aparatos digitales. La ausencia de este componente e+plica por "u! el audio aud io digita digitalme lmente nte con contro trolad ladoo produc producee ruido ruido cuando cuando el
Encargada del monitoreo de la señal de entrada mediante la detección del cruce de la señal alterna por la lnea de re*erenc re*erencia ia cero, permitiendo permitiendo as sincroni# sincroni#ar ar la señal de alimentación ( de la etapa del control respecti'amente en la *igura / se puede obser'ar la onda de la señal de entrada ( en la *igura 0 la gr&*ica resultante del cruce por cero con los
*lancos ascendentes ( descendentes. Esto se %ace por cero, se toma una pausa ( se dispara un :;
segundo es de tiene un sentido di*erente, es decir in'ertido. ?9.9@ milisegundos, cada .0 milisegundos cru#a por cero= si un circuito detecta el cruce de cero ( %ace pausas de 3.?B milisegundos entonces la carga se 'e disminuida a la mitad.
Fig. / 1eñal de 2olta)e a la entrada del circuito
Fig.3 Circuito de aplicación. Fig.0 1eñal de cruce por cero.
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B. Paráetros de cruce por cero
E+isten di'ersas *ormas de reali#ar la etapa del cruce por cero se debe tener entre los m&s comunes se encuentra el reali#ado con ampli*icador operacional, su con*iguración se puede obser'ar en la *igura 3. Este circuito se basa al aplicarle 'olta)e en la entrada no in'ersora ( se compara con el 'olta)e de re*erencia en la entrada in'ersora en este caso, est& conectada a tierra ó 4 'olts-, cuando el 'olta)e en la entrada es m&s positi'o "ue 42, el 'olta)e de salida ser& igual al 'olta)e de saturación del ampli*icador operacional, esto es un poco menor "ue el 'olta)e de polari#ación 2CC. Cuando el 'olta)e en la entrada es m&s negati'o "ue el 'olta)e de re*erencia, entonces el 'olta)e de salida ser& igual al 'olta)e de saturación negati'o 52sat, de la misma *orma, cuando el 'olta)e de entrada es ma(or "ue el 'olta)e de re*erencia, el 'olta)e de salida 62sat, la des'enta)a "ue presenta es "ue son mu( sensible al ruido.
A.
Circuito detector de cruce por cero con transistor
Entre los circuitos implementados tenemos el circuito implementado con transistor cu(a *unción es 'er "ue cuando la señal alterna corta el e)e se genera un pulso, producto de la comparación de una señal alterna recti*icada ( un ni'el de 'olta)e, el cual controla el anc%o del pulso. Al momento de aplicar corriente a la base del transistor, se produce una variación de corriente entre colector emisor, esta pasa por un transformador de pulsos el cual genera un pulso ideal para el encendido de un SCR, cuando se quita la corriente de base se produce por la variación de corriente otro pulso pero este negativo el cual se suprime con el diodo.
!. E/E01% &E '2% El uso m&s com7n de un detector de cruce de cero es para gobernar la aplicación de corriente alterna a una carga, por e)emplo para disminuir la intensidad de una bombilla dimmer-8 la corriente alterna es una onda senoidal "ue 'a circulando en un sentido ( en otro a ra#ón de 94 ciclos por segundo, entonces cada medio perodo pasa por cero, es decir su intensidad es cero. En circuitos de corriente alterna para disminuir la potencia de la carga, se detecta el cruce de
Fig. B Circuito de detección de cruce por cero con transistor.
#. Circuito detector de cruce por cero con opto acoplador
La *uente de DC recti*icado, sir'e para detectar el cruce por cero de la señal original, debido a "ue tiene la misma *recuencia de operación de la red. 1e puede obser'ar el circuito el!ctrico de la *uente, la "ue est& compuesta por un trans*ormador ( un recti*icador de media onda.
Fig. 9 Diagrama en Ares :ransistor-.
B.
Circuito detector de cruce por cero en !ase a coparadores.
Este circuito sir'e para detectar cuando la tensión de la red cru#a por cero, esta señal se trans*orma a ?/ 2 AC ( se la recti*ica, para obtener ?/2 DC con la misma *recuencia de la red, la "ue ingrese al optoacopaldor.
Para obtener un pulso estable de disparo la señal en'iada al transistor del trans*ormador de pulsos pro'iene de un timer BBB con*igurado como monoestable, logrando una independencia del &ngulo de disparo.
Fig. Circuito de detección de cruce por cero con optoacoplador
Fig. @ Circuito de detección de cruce por cero con comparadores.
C. Circuito detector de cruce por cero con circuito inte"rado
Al reali#ar esta aplicación obtenemos una señal de rampa "ue se compara con una señal DC la cual es modi*icada por un potenciómetro ( ambas son colocadas a la entrada de un comparador obteni!ndose a la salida un pulso a)ustable el cual en su transición de subida determina el disparo del tiristor. Fig. ?4 Diagrama en Ares ptoacoplador-
El optoacoplador est& compuesto por un *oto diodo "ue recibe la señal recti*icada, cuando la señal es positi'a emite ? lógico %acia el *ototransistor, el cual se satura ( transmite 4 lógico %acia un dispositi'os micro controlador, sin embargo cuando la señal cru#a por cero el *oto diodo transmite 4 lógico lo cual %ace "ue el *oto transistor traba)e en corte ( transmita ? lógico, es decir cuando la señal cru#a Fig. Diagrama en Ares Comparadores-
por cero 'amos a tener pulso positi'o %acia el microcontrolador.
Tomando en cuenta que la temperatura del aire 2temperatura ambiente es de 1:8C4, el disipador de calor tiene que disipar6 1//8C B -/8C B -8C B 1:8C ? D8C. $sto signi'ca que la resistencia t5rmica del disipador de calor será6 R =A ? D8C9/ 0 ? 7.:8C90att. Con este dato se puede encontrar el disipador adecuado.
Fig. Formas de onda
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Los disipadores de calor son componentes metálicos que utilizan para evitar que algunos elementos electrónicos como los transistores bipolares SCR, TRACs, !"S#$TS, etc., se calienten demasiado % se da&en. $l calor que produce un transistor no se trans'ere con facilidad (acia el aire que lo rodea. Algunos transistores son de plástico % otros metálicos. Los que son metálicos trans'eren con más facilidad el calor que generan (acia el aire que lo rodea %, si su tama&o es ma%or, me)or. A. Cálculo de un disipador de calor
Se desea utilizar un transistor *C+- que produce / 0atts en su )untura. Con los datos del transistor *C+-, este puede aguantar (asta 1// 0atts en su )untura 2má3imo4 % tiene una resistencia t5rmica entre la )untura % la carcasa de6 7.+8C90 2carcasa es la pieza metálica o plástica que se puede tocar en un transistor4. Si la temperatura ambiente es de 1:8C, ;Cuál será la resistencia t5rmica del disipador de calor que se pondrá al transistor< 2R=A4 Con R >C ? 7.+8C90 2dato del fabricante4, la ca@da de temperatura en esta resistencia será T ? R3 ? 7.+8C 3 / 0atts ? -/ 8C. Con R C= ? /.7+8C90 2se asume que se utiliza pasta de silicón entre el elemento % el disipadorde calor4, la ca@da de temperatura en R C= es T ? R3 ? /.7+ 3 / 0atts ? -8C.
Cuando se ponga un disipador de calor a un transistor, (a% que evitar que (a%a contacto entre ellos. Se podr@a evitar 5sto con plástico o el aire, pero son malos conductores de calor. ara resolver este problema se utiliza una pasta especial que evita el contacto. La virtud de esta pasta es que es buena conductora de calor. =e todas maneras (a% que tomar en cuenta que esta pasta aislante tambi5n tiene una resistencia t5rmica. $s me)or evitar si es posible la utilización de la EmicaE pues esta aumenta el RC=. $l contacto directo entre el elemento % el disipador de calor, contrario a lo que se pueda pensar, aumenta el valor de R C=, as@ que es me)or utilizar la pasta. VII. CONCLUSIONES
Los pulsos generados por los circuitos detectores por cero, nos sirven en un circuito para identi'car el inicio de la onda para obtener un sincronismo entre la onda % el pulso de encendido % apagado de la misma. Los circuitos de detectores de cruce por cero nos permiten controlar el ángulo de disparo de los SCR, que en este caso lo implementamos para que controle la intensidad luminosa de un foco, la rampa generada debe estar sincronizada con la se&al alterna, estos pulsos se logran por medio de la carga de un capacitor al cual se le suministra una corriente constante para lograr que sea lineal. $s Recomendable realizar la cone3ión de los circuitos detectores de cruce por cero mediante un transformador reductor, %a que si se alimenta directo desde a red, se tendrá una
medición más e3acta pero el circuito corre el peligro de da&arse. REFERENCIAS
F7G *arrera, H., Ielez, !. % *arrera $. H. J$lectronica de otencia,. !emorias del K Congreso acional de Soldadura. p. 71M 7:. !orelia, !ic(., !e3ico. al D de oviembre de 7--. F1G #. >avier Azcondo, A. de Castro, I. Lopez, and ". Harcia, JoNer factor correction Nit(out current sensor based on digital current rebuilding,O oNer $lectronics. F:G 0LA=!R !PQ" >ARA!LL"S6 JConstruccion de un modulo didáctico para el control electronic de potencia utilizando un HT"O, $ 1/71.