Dimmer Digital Con Control RemotoAutor: Rubén Santa Anna Zamudio Fecha: 20/07/08 Versión del documento: 1.0 Tabla de Contenidos Introducción...............................................................................................................................5 Objetivos....................................................................................................................................5 Descripción General del Proyecto..........................................................................................5 Desarrollo Teórico.....................................................................................................................6 Control de fase........................................................................................................................6 El protocolo de comunicación SIRC.......................................................................................6 Diseño de la fuente capacitiva................................................................................................7 El triac.....................................................................................................................................7 Microcontrolador PIC12F........................................................................................................7 Desarrollo del Software............................................................................................................8 Algoritmo de recepción...........................................................................................................8 Detección de cruce por cero...................................................................................................8 Funcionamiento del Software (Versión 1.5.050708)..............................................................8 Construyendo el dimmer..........................................................................................................9 Recomendaciones..................................................................................................................9 Lista de Materiales..................................................................................................................9 Formas de onda......................................................................................................................10 AC y detección de cruce por cero........................................................................................10 Salida del receptor IR...........................................................................................................10 Compuerta de Triac..............................................................................................................10 Apéndice..................................................................................................................................11 Diagrama Esquemático.........................................................................................................11 Tablas de direcciones/comandos *.......................................................................................12 Diseño de circuito Impreso...................................................................................................12 Cara Superior.................................................................................................................................................................12 Cara Inferior....................................................................................................................................................................12 Notas para el lector.................................................................................................................12 Licencia....................................................................................................................................13 Referencias..............................................................................................................................13 Dimmer Digital para lamparas incandescentes Introducción Un dimmer es un dispositivo que permite regular la intensidad luminosa de una lampara (Ilustración 1). Fundamentalmente se usan dimmers en lamparas incandescentes comunes, debido a que la implementación para este tipo de bombillas es la mas sencilla. Anteriormente los dimmers eran resistencias variables, sin embargo, la disipación de potencia era una limitante grave para este tipo de circuitos. Hoy en día, los dispositivos semiconductores permiten realizar un control preciso de el voltaje y la corriente que se aplica a la carga. Una forma de controlar la corriente que se aplica al filamento de la lampara es el control de fase (phase control), que consiste en variar la cantidad de tiempo en que se suministra corriente a la carga en cada hemiciclo de la onda de corriente alterna. Podemos decir que esta técnica es similar a la modulación por anchura de pulso. Habitualmente en los dimmers, la conmutación de corriente alterna se realiza utilizando un TRIAC, este es un dispositivo de tres terminales que funciona como un “switch” bidireccional. Una corriente relativamente pequeña en la terminal “gate” permite que el TRIAC pase de un estado de alta impedancia, a un estado de conducción, permitiendo así que la corriente fluya hacia la carga. Ilustración 1: Dimmers Comerciales Descripción General del Proyecto. El circuito que pretendemos construir deberá permitir el control de luminosidad de una lampara mediante un control remoto infrarrojo común. Para permitir la recepción de la señal de infrarrojo proveniente del control se ha elegido el circuito integrado TSOP1740 usado comúnmente en sistemas de control remoto y con detección de portadora de 40 Khz. Este contiene en su interior la electrónica necesaria para realizar el proceso de demodulación de la señal de infrarrojo, entregando en su salida una señal digital lista para ingresar al microcontrolador. El microcontrolador por su parte será el encargado de realizar la mayoría de las funciones críticas del circuito, entre ellas la decodificación de las señales provenientes del sensor de infrarrojo. Actualmente existen multitud de protocolos de comunicación usados en mandos a distancia, sin embargo para este proyecto nos apegaremos al estándar de Sony, el protocolo SIRC (Sony Infra Red Control) debido principalmente a su sencillez. Otra parte importante del circuito que hay que comentar es el triac, este componente se encargará de realizar la conmutación de la carga. Normalmente los triacs requieren de una cantidad de corriente relativamente grande en la compuerta para comenzar a conducir. Esto es un problema grave cuando el triac debe ser gobernado por circuitos lógicos como es el caso que Objetivos ● Diseñar un receptor de Infrarrojos capaz de interpretar los datos del protocolo SIRC de la firma Sony. ● Lograr un diseño compacto que permita ser empotrado detrás de un interruptor de pared común. ● Diseñar un circuito con partes de fácil adquisición. ● Que el circuito opere tanto con lamparas incandescentes así como con las del tipo fluorescente. ● El circuito deberá tener la capacidad de responder a tres comandos: Subir Intensidad, Bajar Intensidad y Encendido/Apagado. ● Memoria no volátil para almacenamiento de las teclas asociadas con las funciones antes mencionadas. ● Compatibilidad con otros protocolos mediante cambio de firmware y/o sensor IR 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 5 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes nos ocupa, ya que muchas veces estos dispositivos no pueden proveer mas que unos pocos miliamperios en sus salidas. Anteriormente, los circuitos de disparo de triacs se construían utilizando solamente componentes discretos, los cuales podían proveer altas corrientes de salida de hasta 100mA pico o más. Por lo tanto los triacs no requerían compuertas sensibles. Hoy en día se siguen utilizando estos circuitos de disparo basados en diodos diac, sin embargo los controles basados en circuitos integrados dedicados o microcontroladores son cada vez mas utilizados. Por último comentaremos la sección de la fuente de alimentación que esta basada en componentes discretos y sin uso de transformador, lo cual permitirá reducir considerablemente el circuito impreso. Además como medida de seguridad el circuito incluye un fusible que protegerá el triac y la instalación eléctrica contra corto circuito. como única función limitar la cantidad de corriente. La parte importante, que nos permite conectar directamente los 120 volts de la red eléctrica a un pin del microcontrolador, es lo que se encuentra dentro del encapsulado. Ilustración 3: Estructura interna de los pines del microcontrolador Se trata de la protección contra descargas electrostáticas (ESD), la cual consta de dos diodos conectados de tal forma que limitan el voltaje a un rango comprendido entre Vdd + 0.7 o Vss – 0.7, lo anterior puede observarse con mayor detalle en la Ilustración 3. De esta forma el software en el microcontrolador puede detectar a través de la interrupción por flanco ascendente o descendente alternadamente los cruces por cero de la línea de corriente alterna. Desarrollo Teórico. Control de fase El método de control de fase o corte de fase es usado para controlar ya sea el voltaje, corriente o potencia entregada a una carga. Es en cierta forma similar a la modulación de anchura de pulso (en inglés PWM – Pulse width modulation). En la modulación de anchura de pulso, la señal permanece en alto un tiempo determinado del periodo total de la onda cuadrada. De forma análoga, en el control de fase, un triac, SCR u otro dispositivo similar es encendido (disparado) durante un determinado tiempo del total del periodo de la onda de corriente alterna. Ver el detalle en la Ilustración 4. La sincronía de los pulsos de control sobre el triac es importante para lograr el recorte de fase. Es necesario detectar cuando la onda sinusoidal de AC cruza por un potencial de 0 volts, esto es, detectar cuando comienza un nuevo hemiciclo y cuando se ha de enviar el pulso de disparo a la compuerta del triac. Con el fin de reducir al máximo el tamaño del circuito, solamente se utilizan dos resistencias conectadas en serie con uno de los pines del microcontrolador, en este caso, usamos el pin de interrupción externa (GP2). Las resistencias tienen El protocolo de comunicación SIRC Como ya mencionamos en este proyecto haremos uso del protocolo de comunicación SIRC, el cual utiliza una portadora de 40 Khz y una codificación por longitud de pulsos. En este sistema de codificación, el transmisor varia la longitud del pulso dependiendo del valor binario que se quiere transmitir, teniendo una longitud de 1.2 ms para un “1” lógico y un valor de 0.6 ms para un “0” lógico. Todos los pulsos están separados entre si por un espacio de 0.6 ms. El ciclo de trabajo de la portadora es de ¼ o 1/3. En el protocolo SIRC los bits menos significativos son transmitidos primero, La ráfaga de IR al inicio de las tramas es de 2.4 ms, seguida de un espacio estándar de 0.6 ms. Además de señalizar el comienzo de un mensaje esta ráfaga permite al receptor ajustar su Ilustración 2: Transmisión del protocolo SIRC, observamos que el valor lógico transmitido depende del ancho de los pulsos 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 6 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes ganancia. Después de la condición de inicio se transmite el comando de 7 bits, seguido de la dirección del dispositivo destino (5 bits). Los comandos se repiten cada 45ms (medidos desde la condición de start hasta la condición de start de la siguiente trama) mientras se mantenga oprimida la tecla. La fuente capacitiva empleada en este montaje, tiene como principal ventaja su reducido tamaño, además de un costo bajísimo. Sin embargo también tiene el inconveniente de no estar aislada de la red eléctrica. Analizando el diagrama esquemático vemos que los componentes que determinan la cantidad de corriente que puede entregar la fuente son la resistencia R1 y el capacitor C1. También influye la frecuencia de la red de distribución eléctrica. La siguiente formula determina la corriente de entrada de la fuente. I entrada= 2 V rms −V zener 1 R1 2 f C Dado el diseño del circuito la siguiente condición debe cumplirse para que el voltaje de salida se mantenga constante. I entrada≥I salida Por lo tanto usando la formula anterior podemos asumir un valor de 47 Ohms para la resistencia R1, que esta encargada de limitar la corriente al momento de conectar el circuito y calcular el valor de C1 para proporcionar una corriente de alrededor de 20mA. Ilustración 4: Control de fase. En la Tabla 1 vemos un ejemplo de un comando del protocolo SIRC, se trata del comando “power” de una televisión. En este caso se trata del protocolo de 12 bits, aunque existen el de 15 y 20 bits. Se puede usar esta tabla como ejemplo para modificar las asignaciones de botones en el código fuente. Dirección (01 decimal) 0 0 0 0 0 1 0 9 0 Comando (21 decimal) 1 0 1 5 0 1 Manteniendo un valor de R1 bajo evitamos que disipe mucha potencia, al mismo tiempo que protegemos el capacitor de un aumento repentino en la corriente. La potencia del zener debe ser adecuada para soportar la corriente de entrada. El zener soportará una corriente mayor cuando la fuente no tiene carga alguna conectada a la salida. El triac. Los componentes como los microcontroladores usualmente poseen una capacidad limitada para proveer corriente a través de sus pines. Además, en nuestro circuito, la fuente de alimentación también tiene una corriente de salida bastante escasa, por esto debemos minimizar la corriente requerida para disparar el triac. El triac usado en este circuito es un triac con compuerta sensible (sensitive gate). Este tipo de triac permite que el disparo se efectué con una corriente de compuerta relativamente pequeña. Para el TIC206D la corriente requerida es de 5mA en la mayoría de los cuadrantes, por lo que se encuentra dentro de los valores que pueden proveer el microcontrolador y la fuente capacitiva. Tabla 1: Ejemplo de una trama del protocolo de 12 bits En el apéndice encontrará una tabla con más direcciones y comandos del protocolo SIRC. De manera que será fácil cambiar las teclas asignadas para las funiones del dimmer. Diseño de la fuente capacitiva. Existen muchas formas de transformar una corriente alterna en directa, la manera habitual involucra un transformador y rectificadores. Sin embargo para circuitos cuyo consumo de corriente y tamaño son mínimos, esta solución no resulta conveniente. Microcontrolador PIC12F. Debido al reducido tamaño que pretendemos lograr 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 7 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes utilizaremos un microcontrolador de la familia PIC12FXXX, que se comercializa en encapsulados DIP y SOIC de 8 pines. Concretamente se trata del PIC12F683, aunque puede migrarse el software fácilmente a otro micro de la misma familia. La Ilustración 5 muestra la distribución de los pines del microcontrolador y las funciones asociadas a cada uno de ellos. Detección de cruce por cero. Para detectar cuando la línea de AC cruza por cero se ha usado solamente una resistencia en serie con el pin de interrupción externa. Ya explicamos por que es posible conectar al pin del microcontrolador un voltaje tan grande sin dañarlo (ver control de fase). En el software supondremos que tenemos una onda cuadrada en el pin de interrupción externa, cada flanco de esta señal indica al microcontrolador un cruce por cero. Funcionamiento del Software (Versión 1.5.050708) Ilustración 5: Diagrama de los pines del microcontrolador Aunque el reducido número de pines plantea algunos problemas de diseño debido a que algunos módulos del PIC requeridos en el diseño comparten los mismos pines, mas adelante veremos la forma de superar este inconveniente. Una vez que tengamos el micro montado en el circuito, se pueden soldar varios cables provisionalmente para proveer las señales de programación al microcontrolador (PGD, PGC, MCLR) y la alimentación. Nunca intentes programar el micro con el circuito conectado a la red eléctrica. Una vez realizada la programación se puede proceder a conectar el circuito a la red eléctrica. Al hacer esto, inmediatamente deberemos ver que el led flashea rápidamente, indicando que se esta iniciando la ejecución del programa. A partir de este momento, el dimmer ya esta funcionando, esperando la interacción del usuario. Existen dos formas de interactuar con el dimmer. Ya sea mediante el control remoto o con el botón colocado en la pared. Si se pulsa el botón en la pared momentáneamente, actuará como lo haría un interruptor común encendiendo o apagando la lampara, excepto cuando se tenga algún valor de luminosidad intermedio. En ese caso, se comportará de la siguiente forma: Si la lampara esta a mas de 50%, al presionar el boton se apagará por completo. Y si esta regulada a menos de 50% presionar el botón causará que la lámpara vaya a la máxima luminosidad. Si se deja presionado el botón (mas de 300 mS), el dimmer comenzará a variar la intensidad en toda la gama disponible, deteniéndose al soltarlo. La lampara quedará regulada con la intensidad que tenía al momento de soltar el botón. En el control remoto se pueden usar las teclas de volumen (+/-) para controlar la intensidad de la luz, también se puede usar la tecla POWER para encender o apagar la luz. La tecla POWER en el control remoto tiene el mismo efecto que una pulsación breve en el botón de la pared. En esta versión de software NO es posible asignar otras teclas para el control remoto. La única forma de cambiar las teclas es cambiando directamente la asignación en el código fuente, recompilando y grabando de nuevo el programa. Desarrollo del Software El firmware que controla este proyecto fue realizado para el compilador PIC C de Custom Computer Services. Para mayor detalle puede referirse al archivo de código fuente. En este pueden encontrase comentarios en inglés que ayudan a comprender mejor el funcionamiento del software, en esta sección solo explicaremos algunas partes críticas del programa. Algoritmo de recepción. El algoritmo para decodificar los bits de la trama del protocolo SIRC consiste básicamente en medir la longitud de los bits (el tiempo entre flancos descendentes). Para la recepción del protocolo SIRC podríamos hacer uso de el modulo Input Capture del microcontrolador PIC, sin embargo, en el PIC12F683, este periférico comparte el PIN GP2 con la interrupción externa, la cual estamos usando para detectar los cruces por cero. Por lo tanto usaremos la interrupción por cambio de estado del pin GP1 y mediremos los tiempos entre interrupciones que ocurren a causa de un flanco descendente. Después se compara el tiempo de cada bit con una constante y de esa forma saber si se ha transmitido un 1 lógico o un 0 lógico. Finalmente los almacenaremos en una variable de 16 bits de longitud (long), suficiente para albergar las tramas de 12 o 15 bits. 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 8 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes ¡Atención! Tome en cuenta lo siguiente: ● El circuito trabaja con voltajes que pueden llega a causar quemaduras, o lesiones permanentes. Tome todas las medidas de seguridad para evitar riesgos de electrocución durante las pruebas y armado del prototipo. La masa del circuito NO esta aislada de la red eléctrica. Desconecte el circuito de la red eléctrica antes de intentar grabar el microcontrolador. Nunca conecte el circuito a una computadora o a cualquier otro dispositivo mientras este conectado a la red eléctrica. ● Construyendo el dimmer. Recomendaciones. El circuito y el programa están diseñados para funcionar con 120 V 60 Hz, en países cuya frecuencia y/o voltaje de la red eléctrica son distintos es posible utilizar el circuito, sin embargo, este requerirá cambios en el software y en la fuente de alimentación. El protocolo SIRC especifica una portadora de 40 Khz, sin embargo también he probado el receptor panasonic PNA4602 (38 Khz) y al parecer funciona sin inconvenientes. En los pines designados como JP1 se conectará el interruptor de pared, que debe ser tipo pulsador normalmente abierto. Los pines JP2 permitirán seleccionar el tipo de lampara que tenemos conectada, ya sea fluorescente o incandescente. ● ● ● 1 x 1 Kohm 0805 SMD 1 x 1 Mohm 0805 SMD 1 x 500 kohm 0805 SMD Circuitos Integrados: ● ● ● TSOP1740 (Panasonic PNA4602) PIC16F88 (Versión 1.0 Debug) PIC12F683 (Versión 1.5.050708) Semiconductores de potencia: ● Varios: ● ● ● ● ● Fusible y portafusible para circuito impreso Terminales con tornillos Tira de pines Placa de circuito impreso Soldadura y pasta TIC206D Lista de Materiales Los materiales necesarios para la construcción del circuito del dimmer se enlistan a continuación: Capacitores: ● ● ● Diodos: ● ● 2 x Diodo Rectificador 1N4007 1 x Diodo Zener de 5.1 Volts ½ W 1 x 470 nF Poliester 1 x 470 uF Electrolítico 16V 1 x 100nF Cerámico 0805 SMD Resistencias: ● ● 1 x 47 Ohm 1 W 1 x 220 Ohms ¼ W Ilustración 6: Materiales a utilizar para la construcción de este proyecto 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 9 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes Formas de onda. AC y detección de cruce por cero. En esta ilustración se observa una onda sinusoidal de 22 volts pico a pico aplicada en el resistor de 2 Mohms en serie con el pin del microcontrolador PIC. En azul observamos la señal que “ve” el microcontrolador PIC, ya recortada por los diodos de protección ESD. Salida del receptor IR En esta captura observamos el principio de una trama de un control remoto SIRC, vemos el bit de start que tiene una duración total de aproximadamente 3mS. También se observa la codificación por ancho de pulso (pulse widht encoding). Compuerta de Triac. En esta ilustración se aprecian los pulsos de disparo que serán aplicados a la compuerta del triac. 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 10 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes Apéndice. Diagrama Esquemático. 18/05/08 - - Página 11 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes Tablas de direcciones/comandos *. Address 1 2 3 6 12 16 17 18 Command 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 30 31 38 39 47 * Ver referencias. Device TV VCR 1 VCR 2 Laser Disc Unit Surround Sound Cassette deck / Tuner CD Player Equalizer Function Digit key 1 Digit key 2 Digit key 3 Digit key 4 Digit key 5 Digit key 6 Digit key 7 Digit key 8 Digit key 9 Digit key 0 Channel + Channel Volume + Volume Mute Power Reset Audio Mode Contrast + Contrast Colour + Colour Brightness + Brightness Balance Left Balance Right Standby Diseño de circuito Impreso. Las siguientes imágenes son de utilidad al momento de soldar los componentes en la placa. Cara Superior Cara Inferior Notas para el lector. El articulo aquí presente se publica principalmente con fines educativos, NO CON FINES COMERCIALES. por lo tanto no soy responsable de la veracidad de la información aquí expuesta, sin embargo he tratado de ser lo mas riguroso posible. No hay ninguna garantía ni soporte de lo que se expone en este documento, ni asumo ninguna responsabilidad por daños producidos por un uso incorrecto de la información. Para cualquier sugerencia para mejorar el texto, el circuito o el software házmela llegar a la siguiente dirección de correo electrónico:
[email protected] 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 12 de 14 Dimmer Digital para lamparas incandescentes Licencia. Este trabajo es distribuido bajo una licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Mexico. Para ver el texto completo de la licencia visita el siguiente enlace. http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/mx Eres libre de: ● Copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra ● Hacer obras derivadas Bajo las condiciones siguientes: ● Atribución. Debes reconocer la autoría de la obra en los términos especificados por el propio autor o licenciante. No comercial. No puedes utilizar esta obra para fines comerciales. Licenciamiento Recíproco. Si alteras, transformas o creas una obra a partir de esta obra, solo podrás distribuir la obra resultante bajo una licencia igual a ésta. ● ● Referencias. Algunos de los siguientes enlaces contienen información ampliada sobre el los temas de este proyecto o fueron utilizadas como fuente de información. http://www.micropic.es/ http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/sirc.htm http://es.wikipedia.org Las siguientes hojas de datos fueron tomadas como referencia para el desarrollo de este proyecto o fueron utilizadas para tomar información o gráficos relevantes: PIC12F683 PIC16F88 TSOP1740 PNA4622M TIC206D 18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Página 13 de 14