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5/24/2018 Capitulo1 Modulo Disparador de SCRs Sistema Microcontrolado Para Laboratorio Electronica de UPS Cuenca[1] Copy

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Captulo 1

Revisin Terica1.1 Rectificadores Controlados y Controladores de CA

1.1.1 Rectificador Monofsico Controlado de Media Onda

En el circuito de figura 1.1, se ve una configuracin para la rectificacin

controlada de media onda, en el semiciclo positivo el tiristor esta polarizado

de forma directa. Cuando este tiristor T1 se dispara en t = , ese tiristor

conduce y a travs de la carga aparece el voltaje de entrada vs. En el semiciclo

negativo el tiristor tienepolarizacin inversay se desactiva.

Figura 1.1. Circuito Rectificador Controlado de Media Onda.

Secuencia de Disparo

a) Detectar el cruce por cero positivo de la fase de alimentacin

b) Retardar el pulso de disparo el ngulo deseado y disparar el tiristor T1

a travs de un circuito de aislamiento de compuerta.


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1.1.2 Rectificador Monofsico de Onda Completa Semicontrolado y Totalmente

Controlado

En la figura 1.2 se muestra un rectificador totalmente controlado, el cual usa

cuatro tiristores para controlar el voltaje en la carga. Y en la figura se muestra

un rectificador Semicontrolado, el cual usa dos tiristores y dos diodos.

Figura 1.2. Circuito Rectificador de Onda Completa a) Totalmente controlado y b)

Semicontrolado.

En la figura 1.3 se muestra las formas de onda del voltaje y la corriente del

rectificador de onda completa totalmente controlado para una carga resistiva.

Los tiristores T1 y T2 deben ser disparados simultneamente durante el

semiciclo positivo de vs. Luego, los tiristores T3 y T4deben ser disparados

simultneamente durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada.

Figura 1.3. Formas de Onda del Rectificador de Onda Completa Totalmente controlado.


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Secuencia de disparo

a) Detectar el cruce por cero positivo del voltaje de entrada vs retardar el

ngulo deseado al pulso de disparo y aplicar el mismo pulso a los

terminales de compuerta de los tiristores T1y T2 a travs de circuitos de

aislamiento de compuerta.

b) Detectar el cruce por cero negativo del voltaje de entrada vs retardar el

ngulo deseado al pulso de disparo y aplicar el mismo pulso a los

terminales de compuerta de los tiristores T3y T4 a travs de circuitos de

aislamiento de compuerta.

Para el caso del rectificador semicontrolado de onda completa se hace uso de

la parte a) de secuencia de disparo anterior. Para este caso los pulsos se aplicanicamente a los dos tiristores T1y T2 que son parte del puente rectificador,

no es necesario la parte b) de la secuencia ya que los diodos conducirn o no

dependiendo de su polarizacin.

1.1.3 Rectificador Trifsico Controlado de Media Onda

Tres convertidores monofsicos de media onda, figura 1.4, se pueden

conectar para formar un convertidor trifsico de media onda.

Figura 1.4. Circuito Rectificador Trifasico de Media Onda Controlado.

En este circuito el tiristor T1dispara en t = /6 + , aparece el voltaje de

fase vana travs de la carga, hasta que dispara el tiristor T2cuando t = 5/6

+ . Cuando dispara el tiristor T2, el tiristor T1 tiene polarizacin inversa,

porque el voltaje vab de lnea a lnea (= van vbn) es negativo y T1 se

desactiva. El voltaje de fase vbnaparece a travs de la carga, hasta que dispara

el tiristor T3 cuando t = 3/2 + . Cuando dispara el tiristor T3, T2 se

desactiva y aparece vcna travs de la carga, hasta que T1 dispara de nuevo,


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para iniciar el siguiente ciclo. La figura 1.5 muestra las curvas caractersticas

de este rectificador.

Figura 1.5. Formas de onda del Rectificador Trifsico de Media Onda Controlado.


a) Generar un pulso de seal en el cruce del voltaje positivo de la fase van

con cero. Retardar el pulso el ngulo deseado /6 + y aplicarlo a las

terminales de compuerta y ctodo de T1a travs de un circuito aislador de

compuerta.

b) Generar dos pulsos ms de ngulos de retardo 5/6 + y 9/6 + para

disparar T2 y T3, respectivamente, a travs de circuitos aisladores de

compuerta.

1.1.4 Rectificador Trifsico de Onda Completa Semicontrolado y Totalmente

Controlado

EL circuito de la figura 1.6 se llama puente trifsico. Los tiristores se

disparan a un intervalo de /3. Cuando t = /6 + , el tiristor T 6 ya est

conduciendo, y el tiristor T1se activa. Durante el intervalo (/6 + ) < t 150, no hay algn periodo durante el cual dos tiristores conduzcan y el

voltaje de salida se vuelve cero en = 150. El intervalo del ngulo deretardo es 0 < < 150.

Figura 1.12. Formas de Onda del Controlador Trifsico de Onda Completa.


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a) Generar una seal de pulso en el cruce del voltaje de fase de la fuente van

positivo, con cero.

b) Retardar el pulso los ngulos , + 2/3 y + 4/3 para disparar T1, T3y

T5 a travs de circuitos aisladores de compuerta.

c) De igual manera, generar pulsos con ngulos de retardo + , 5/3 + y

7/3 + para disparar T2, T4y T6.

1.2 Los Microcontroladores Microchip (PICs)1.2.1 Introduccin a los microcontroladores

Pasada la mitad de los aos setenta, exactamente en 1976, aparecen los

microcontroladores (C) como consecuencia de la capacidad de integracin

desarrollada hasta ese momento de la historia. Los microcontroladores a

diferencia de su predecesor, el microprocesador, integran en un solo chip la

mayor cantidad de recursos y se comunica a travs de lneas de entrada/salida

o llamadas tambin lneas de puerto.Hoy en da, al momento de realizar una aplicacin prctica de la electrnica

lo primero que viene a la mente es el usar un microcontrolador pero esto no es

casualidad debido al gran desarrollo de los microcontroladores estos ofrecen

ventajas que justifican su eleccin. A continuacin vemos las ms

importantes ventajas que ofrecen estos dispositivos.

o Bajo costo. Debido a la integracin de los recursos los costos se abaratan.

o Fiabilidad. Al usar un C, debido a la integracin de recursos las

interconexiones se minimizan al momento de realizar una tarjeta impresa,

por lo tanto, se logra un diseo ms fiable.

o Ahorro de tiempo en el desarrollo de los diseos.

Al ser los microcontroladores Microchip (PICs) los que van a ser usados en

este proyecto es muy importante conocer las caractersticas ms relevantes

concernientes a la tecnologa de los PICs.


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1.2.2 Lneas de entrada y salida en los PICs

Las caractersticas principales que han influido de manera importante en la

eleccin de los PICs para realizar el presente trabajo son las siguientes:

o Pueden manejar hasta 25mA de corriente, independientemente de sifunciona como fuente o como sumidero, lo que hace posible manejar

elementos, como leds, sin la necesidad de utilizar Buffers.

o Son configurables individualmente como salidas o entradas, esto se logra

mediante los registros TRIS correspondientes a cada puerto, en estos

registros de 8 bits cada bit est asociado con un pin fsico del

microcontrolador, y el escribir un UNO o un CERO hace que la lnea

quede configurada como una salida o una entrada respectivamente.

o Muchas de las lneas estn multiplexadas, pudiendo ser configuradas

como: entrada o salida digital, o entrada analgica.

o Todas las lneas tienen proteccin contra ESD (Electrostatic Discharge), y

adems en el puerto B existen resistencias de pull-up, que pueden ser

activadas en el registro OPTION al limpiar el bit 7 de este.

1.2.3 Descripcin de los Puertos de la Serie 87X

Figura 1.13. PIC de la serie 16F87X


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En la figura 1.13 se puede apreciar el esquema de terminales de la serie 87X

pertenecientes a la familia media de Microcontroladores Microchip.

Todas las lneas del chip son de propsito general excepto las que son pines

con funciones especiales que son mostradas en la tabla 1.1.

NOMBRE DEL

PINNUMERO DEL PIN FUNCIN

(*)MCLR 1Pin para generar un

RESET externo

OSC1 13 Pines para conexin del

oscilador externo

OSC2 14

VSS 12 31 Pin de referencia (0V)

VDD 11 32 Pin de alimentacin (+5V)

Tabla 1.1. Pines con funciones especiales de la serie 87X de PIC.

o Puerto A: Es un puerto de entrada/salida de 6 pines (ra0...ra5), pueden ser

configurados como entradas o salidas digitales, pueden tambin ser

configurados como entradas analgicas.

o Puerto B: Es un puerto entrada/salida digital de 8 bits, con pull-up interno

programable mediante software, estas resistencias de pull-up se activantodas a la vez limpiando el bit 7 del registro OPTION_REG que se

encuentra en el banco 1 de la Memoria RAM (Memoria de datos) del PIC.

o Puerto C: Es un puerto de entrada/salida digital de 8bits multiplexa

tambin algunas funciones tales como: Salida de PWM el Rx y Tx para

transmisin serial; en este proyecto ser como salida digital.

o Puerto D: Es un puerto de entrada/salida digital de 8 bits, multiplexa

funciones con el perifrico PSP (Puerto Paralelo Esclavo).


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o Puerto E: Es un puerto de entradas/salidas digitales y entradas

analgicas.

1.2.4 Circuito Oscilador

Toda la ejecucin de un programa en un microcontrolador es controlada por

un oscilador (externo o interno). Por lo general se emplean osciladores, como

referencias de tiempo, externos.

La configuracin ms comn para un circuito oscilador externo es la que se

ve en la figura que al combinarse con el hardware interno del PIC, que es el

microcontrolador utilizado en este proyecto, produce las oscilaciones. Esta

configuracin consiste en conectar un cristal de cuarzo en los pines OSC1 yOSC2 del microcontrolador y dos condensadores conectados a tierra de

manera que formen un oscilador con el inversor integrado al PIC y conectado

a los pines OSC1 y OSC2.

Figura 1.14. Circuito oscilador de la serie 16F87X. FuenteDatasheet de la serie 87XA

1.2.5 Circuito de RESET externo

El RESET externo conlleva a que el programa vuelva a ejecutarse desde su

primera lnea, para conseguir esto es necesario llevar a cero durante un

determinado tiempo el pin de MCLR pin 1 del PIC de la famila 87X, la

circuitera necesaria para esto esta detallada en la figura 1.15.


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R1

4.7k D1

C11uF

VDD

MCLR

Figura 1.14. Circuito de RESET externo recomendado para la serie 16F87X.

1.2.6 Trabajo con interrupciones en PICs

El trabajo con interrupciones se caracteriza por ser un servicio directo entre

perifricos y el CPU, siempre que esta desee establecer el dilogo con el

perifrico. En trminos concretos, esto significa que la interrupcin del

perifrico haba sido habilitada. La caracterstica fundamental y ventaja

principal del servicio de interrupciones es la inmediatez; lo que significa quepueden eliminarse total o parcialmente los ciclos de consulta. Otra ventaja es

que puede inhibirse la interrupcin del perifrico dado cuando se considera

que esta es inoportuna y por tanto perjudica en alguna medida la marcha

del proceso principal, o sea la corrida del resto del programa. Esta forma de

trabajo es indispensable en el trabajo de control de procesos en tiempo real.

Formas de Iniciar una interrupcin

Por un perifrico o entidad externa ajena al C a travs de los pinesespecficos del mismo. En estas condiciones la interrupcin es externa.

Dentro del propio C entonces la interrupcin es interna.

Fuentes de Interrupcin en los PICs de la serie 87X

Los PICs pueden manejar diversas fuentes de interrupcin (IT). Por lo

general con cada perifrico integrado al C hay asociada una o ms fuentes

de interrupcin. A continuacin se resumen todas las fuentes de IT posibles

en los C de esta serie. Los tipos de fuente de IT se subdividen en doscategoras:Bsicas y Adicionales.


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Fuentes Bsicas

o Interrupcin por pm externo (pm RB0/INT). El pm RB0 es un pin de

puerto que est multiplexado con la funcin de INT externa.

o Por desbordamiento del TMR0.

o Por cambio en los pines de puerto RB7:RB4.

o Cuando se completa un ciclo de escritura en la EEPROM de Datos. La

EEPROM de datos es otro perifrico muy comn en los C de esta

familia. Es una memoria tipo EEPROM y por lo tanto NO voltil, que

puede escribirse y leerse desde el programa de aplicacin.

Las Fuentes Adicionales no las trataremos en este trabajo.

Registros para el Manejo de interrupciones en los PICS

Para el manejo de IT en los PICs existen dos tipos de registros especiales: los

Registros de Control de Interrupcin y los Registros Banderas de

Interrupcin. Los primeros permiten habilitar las distintas fuentes de IT y los

segundos son necesarios para averiguar cual perifrico gener la IT. La

manera ms fcil de estudiar estos registros es relacionarlos con el perifrico

del C que se est empleando.Registro de Control de Interrupciones Bsicas (INTCON)

El registro INTCON (figura 1.15). En este registro se incluyen los bits para

habilitar las fuentes bsicas de interrupcin, as como los bits que sirven de

banderas para cada una de las fuentes individuales de interrupcin.

El registro INTCON se encuentra en las localizaciones: 0Bh, 8Bh, 10Bh y

18Bh de los bancos 0, 1, 2 y 3 de la Memoria de Datos; por lo tanto para

escribir o leer su contenido NO es necesario cambiar de banco modificando

los bits correspondientes del registro STATUS.

Registros para el Control y de Banderas de Interrupciones Adicionales.

La denominacin de los registros para el control de interrupciones adicionales

se codifica de manera general con las letras PIE (Peripheral Interrupt Enable

register), ms un nmero (por ejemplo PIEl, PIE2, etc). En un mismo PIC

pueden existir varios de estos registros en funcin de la cantidad de

perifricos integrados al C que sean capaces de generar interrupcin.


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Por otra parte, las banderas que indican los eventos de interrupcin

adicionales, se agrupan en registros tipo PIR (Peripheral Interrupt Registers).

De manera similar a lo que ocurre con los registros tipo PIE, pueden existir

varios tipos PIR (por ejemplo, PIR1, PIR2, etc.).

Figura 1.15. Registro INTCON. FuenteDatasheet de la serie 87X

Las figuras 1.16 y 1.17 ilustran dos tipos de registros: uno de control (PIE1)

y otro de banderas (PIR1). Note que los bits de habilitacin y bandera se

encuentran en posiciones similares dentro de ambos registros; por ejemplo: el

bit 0 del registro PIE1, sirve para habilitar la interrupcin del timery el bit 0

del registro PIR1 sirve de bandera de interrupcin por desbordamiento del

timer.


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Figura 1.16. Registro PIE1. FuenteDatasheet de la serie 87X

Figura 1.17. Registro PIR1. FuenteDatasheet de la serie 87X


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1.2.7 Modulo TMR0 y Registro OPTION_REG

El mdulo TMRO es el timer/contador primario que incluyen los

Microcontroladores PICs que poseen al menos un timer.

Especificaciones tcnicas generales del mdulo:

o Puede ser programado como temporizador (timer) o contador (counter) de

8 BITS ascendente.

o El conteo o la temporizacin se lleva en un registro (TMRO), que se

puede leer y escribir.

o Posee un prescaler programable por software de 8 BITS.

o Fuente de reloj seleccionable (interna o externa), segn se trabaje como

temporizador o contador.

o Genera una interrupcin por desbordamiento (FF 00) si el bit T0IE del

registro INTCON es igual a 1.

Cuando se utiliza para contar eventos externos se posee seleccionar el frente

de conteo, mediante el bit TOSE del registro OPTION.

Arquitectura Interna del Timer 0.

La figura 1 muestra un Diagrama de Bloques de la estructura interna del

Timer 0. El funcionamiento de la Lgica de Control del Timer se puede

entender analizando el Registro que la controla.

Figura 1.18. Diagrama de bloques del Timer0. FuenteDatasheet de la serie 87X


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El timer0 se controla mediante el registro OPTION. La figura 1.19 muestra

el registro y las funciones de sus respectivos bits.

Figura 1.19. Registro OPTION_REG. FuenteDatasheet de la serie 87X

Modo Timer

Se selecciona haciendo 0 el bit TOCS del registro OPTION_REG (81h). Si

no se selecciona el prescalador (prescaler), en este modo eltimer0 cuenta

Ciclos de Mquina (fosc/4). El resultado de la temporizacin se puede leer en

el registro TMR0, que se encuentra en la direccin 01h del banco 0

exclusivamente. El registro TMR0 tambin puede ser alterado por elprogramador, o sea durante la temporizacin o el conteo. Si durante la

ejecucin del programa se altera el registro TMR0 su incremento se retarda

en dos Ciclos de Mquina.

Si se utiliza el Pscaler (PSA = 0), el reloj de entrada l timer (FoscI4) se divide

por los siguientes factores (figura 1.19), segn la combinacin que se coloque

en los bits PS2:PSO del registro OPTION.


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1.3 Displays de Cristal Liquido (LCD)

1.3.1 Introduccin a los LCDs

Los Mdulos LCD (Liquid Crystal Display) son dispositivos para visualizar

textos y/o grficos.

Figura 1.20. Mapa de direcciones de la RAM de un Display de un LCD de 2x8 y estructura

de la matriz.

Los LCDs comerciales consisten del cristal de tinta lquida y un controlador

electrnico inteligente, que se monta en una tarjeta PCB, al reverso del

cristal. Luego, para realizar un interfaz con un C es necesario comunicarse

con el controlador, ya sea para enviar cdigos que representan rdenes para

el controlador o datos que se desean visualizar. Los cdigos para los

comandos u rdenes son especificados por el fabricante de cada modelo de

LCD.

Existen dos grandes categoras de LCDs en el mercado, los LCD matriciales

y los LCDs grficos. En esta parte se ilustra el manejo de un LCD matricialde 2 lneas de 8 caracteres cada una. Cada carcter se forma con una matriz

de puntos de 5X7 puntos figura. Cada matriz, dentro del LCD posee una

direccin especfica, asociada a cada matriz existe una localizacin de

memoria, que puede escribirse o leerse, segn se desee. Esta memoria se

denomina DDRAM (Display data RAM). Los LCDs tambin poseen una

memoria ROM en su tarjeta controladora que almacena caracteres ASCII. La

memoria ROM es directamente direccionable, escribiendo el carcter que se


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desea visualizar. Antes de la escritura del carcter, debi ser escrita la

direccin dentro de a donde se desea visualizar el carcter.

1.3.2 Modos de Operacin de un LCD e Interface con el Microcontrolador

Los LCDs que se encuentran en el mercado por lo general funcionan en dos

modos principales que se describen a continuacin.

o Mediante interface de 4 bits de datos y 3 lneas de comando, este modo

puede tener dos variantes que son: (a) Con transferencia de los datos o

instrucciones de 4 bits en 4 bits, empleando a parte alta del puerto

conectado al LCD (port ), figura 1.21a; y (b) Transferencia de los

datos o instrucciones de 4 bits en 4 bits, empleando a parte baja del puertoconectado a LCD (port ), figura 1.21b.

o Mediante una interface de 8 bits de datos y 3 lneas de comando. En este

caso tanto los datos corno las palabras de instruccin se envan en 8 bits,

se emplea todo el puerto, figura 1.21c.

Figura 1.21. Transferencia de datos o comandos PIC-LCD.

a) Transferencia 4 bits en 4bits, parte superior del puerto

b) Transferencia 4 bits en 4bits, parte inferior del puerto

c) Transferencia a 8 bits


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1.3.3 Lneas de Control

La mayora de los LCDs presentes en el mercado se controlan mediante tres

lneas: E, RS y R/*W. La tabla 1.2 resume las funciones de cada lnea

de control.

SEAL DE

CONTROL

FUNCIN

E (Enable) o Con el flanco de subida de esta seal se almacena el

estado de los pines RS (instruccin o dato) y R/W

(lectura o escritura).

o Con el flanco de cada de esta seal se almacena el dato

o la instruccin que se haya colocado en el BUS del

LCD.

o Para operar el LCD, primero poner el dato (o la

instruccin) en el puerto y despus dar un pulso al LCD

por E. La duracin de este pulso depende de cada

cristal. Tpicamente se exige como mnimo.

RS RS sirve para diferenciar un dato de un comando.

o Si RS = 1 significa que la palabra colocada en el BUS

del LCD es un DATO.

o Si RS = 0 significa que la palabra colocada en el BUS

del LCD es un DATO.

R/*W R/*W permite realizar lecturas o escrituras al LCD, ya sea

de DATOS o COMANDOS.

R/*W = 0 se va a escribir el LCD.

R/*W =1 se va a leer el LCD.

Tabla 1.2. Funciones de la lneas de control de un LCD matricial.

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circuito de figura

formas de onda

puente rectificador

voltaje de entrada

pulso de disparo

tiristores t1y t2 a

media ondaen