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Electronica de Potencia
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Circuitos de Detección de Cruce por Cero
Wilson Fonseca, Erick Ñaupari, Cristian Pinta
Power Electronics, Static Converters and Control of Machines, Escuela Politécnica Nacional
Quito, Ecuador
Abstract- Este documento describe las principales características de circuitos empleados para la detección del cruce por cero que se pueden utilizar para determinar el tipo de la forma de onda, el nivel promedio de la señal, ayudar a integrar o diferenciar señales; además se mostrarán varios ejemplos de circuitos implementados así como el análisis respectivo de cada uno de los mismos.
I. INTRODUCCIÓN
La transmisión de señales digitales en corriente alterna, o
AC, es imposible sin la asistencia de un detector de cruce por cero. Éstos, son circuitos eléctricos que detectan cuando la corriente alcanza el punto de cruce por cero de la onda.
Muchos circuitos electrónicos operan con doble polaridad, el detector de cruce por cero se encarga precisamente de sensar cuando se produce el cambio de polaridad.
Para detectar el cruce por cero de una señal electrónica de una sola polaridad, se debe encontrar la componente de continua la cual dará el nivel de cero, y luego el circuito operará con tal nivel para sensar cuando la señal esté por encima o por debajo de tal nivel.
En cuanto para una señal que no posea nivel de continua ya sea porque se la ha filtrado se deberá trabajar por promedios, integrando la señal y luego determinar el punto de cruce para determinar cuando la señal está por debajo del nivel promedio y cuando está por arriba de tal nivel.
II.FUNCIÓN
Los detectores de cruce por cero son vitales en la transmisión de señales digitales a través de los circuitos de corriente alterna, tal como los módems u otros aparatos digitales. La ausencia de este componente explica por qué el audio digitalmente controlado produce ruido cuando el
usuario sube muy rápido el volumen. Cuando la ganancia sólo se aumenta en los puntos de cruce por cero, no hay entrada ni ruido de señal.
Comparadores
Los detectores de cruce por cero trabajan usualmente en conjunto con los comparadores, que son dispositivos eléctricos que comparan la fuerza de la señal (voltaje o corriente) y cambian la salida basada en la señal más fuerte. Mientras que los amplificadores comparadores operacionales análogos son ampliamente usados, los chips dedicados comparadores de voltaje funcionan mejor para los dispositivos digitales.
Fig.1 Circuito protector de cruce por cero.
III OPEREACIÓN
A. Etapa de cruce por cero
Encargada del monitoreo de la señal de entrada mediante la detección del cruce de la señal alterna por la línea de referencia cero, permitiendo así sincronizar la señal de alimentación y de la etapa del control respectivamente en la figura 2 se puede observar la onda de la señal de entrada y
en la figura 3 la gráfica resultante del cruce por cero con los flancos ascendentes y descendentes. Esto se hace por comparación de señales con referencia a tierra y de esto se genera una señal de dos estados, estado alto para señales mayores a tierra y estado bajo para señales menores al cero. Esto es de lógica directa o en lógica inversa la comparación tiene un sentido diferente, es decir invertido.
Fig. 2 Señal de Voltaje a la entrada del circuito
Fig.3 Señal de cruce por cero.
B. Parámetros de cruce por cero
Existen diversas formas de realizar la etapa del cruce por cero se debe tener entre los más comunes se encuentra el realizado con amplificador operacional, su configuración se puede observar en la figura 4. Este circuito se basa al aplicarle voltaje en la entrada no inversora y se compara con el voltaje de referencia en la entrada inversora (en este caso, está conectada a tierra ó 0 volts), cuando el voltaje en la entrada es más positivo que 0V, el voltaje de salida será igual al voltaje de saturación del amplificador operacional, esto es un poco menor que el voltaje de polarización VCC. Cuando el voltaje en la entrada es más negativo que el voltaje de referencia, entonces el voltaje de salida será igual al voltaje de saturación negativo –Vsat, de la misma forma, cuando el voltaje de entrada es mayor que el voltaje de referencia, el voltaje de salida +Vsat, la desventaja que presenta es que son muy sensible al ruido.
IV. EJEMPLO DE USO
El uso más común de un detector de cruce de cero es para gobernar la aplicación de corriente alterna a una carga, por ejemplo para disminuir la intensidad de una bombilla (dimmer): la corriente alterna es una onda senoidal que va circulando en un sentido y en otro a razón de 60 ciclos por segundo, entonces cada medio período 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 cero, se toma una pausa y se dispara un TRIAC; durante la pausa, la carga permanece apagada, al disparar el TRIAC la carga se enciende y permanece encendida hasta que el voltaje pasa por cero apagando automáticamente al TRIAC. El período de la corriente alterna a 60 ciclos/segundo es de 16.67 milisegundos, cada 8.3 milisegundos cruza por cero; si un circuito detecta el cruce de cero y hace pausas de 4.15 milisegundos entonces la carga se ve disminuida a la mitad.
Fig.4 Circuito de aplicación.
V. CIRCUITOS IMPLEMENTADOS
A. Circuito detector de cruce por cero con transistor
Entre los circuitos implementados tenemos el circuito implementado con transistor cuya función es ver que cuando la señal alterna corta el eje se genera un pulso, producto de la comparación de una señal alterna rectificada y un nivel de voltaje, el cual controla el ancho 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.
Fig. 5 Circuito de detección de cruce por cero con transistor.
Fig. 6 Diagrama en Ares (Transistor).
B. Circuito detector de cruce por cero en base a comparadores.
Para obtener un pulso estable de disparo la señal enviada al transistor del transformador de pulsos proviene de un timer 555 configurado como monoestable, logrando una independencia del ángulo de disparo.
Fig. 7 Circuito de detección de cruce por cero con comparadores.
C. Circuito detector de cruce por cero con circuito integrado
Al realizar esta aplicación obtenemos una señal de rampa que se compara con una señal DC la cual es modificada por un potenciómetro y ambas son colocadas a la entrada de un comparador obteniéndose a la salida un pulso ajustable el cual en su transición de subida determina el disparo del tiristor.
Fig. 8 Diagrama en Ares (Comparadores)
D. Circuito detector de cruce por cero con opto acoplador
La fuente de DC rectificado, sirve para detectar el cruce por cero de la señal original, debido a que tiene la misma frecuencia de operación de la red. Se puede observar el circuito eléctrico de la fuente, la que está compuesta por un transformador y un rectificador de media onda.
Este circuito sirve para detectar cuando la tensión de la red cruza por cero, esta señal se transforma a 12 V AC y se la rectifica, para obtener 12V DC con la misma frecuencia de la red, la que ingrese al optoacopaldor.
Fig. 9 Circuito de detección de cruce por cero con optoacoplador
Fig. 10 Diagrama en Ares (Optoacoplador)
El optoacoplador está compuesto por un foto diodo que recibe la señal rectificada, cuando la señal es positiva emite 1 lógico hacia el fototransistor, el cual se satura y transmite 0 lógico hacia un dispositivos micro controlador, sin embargo cuando la señal cruza por cero el foto diodo transmite 0 lógico lo cual hace que el foto transistor trabaje
en corte y transmita 1 lógico, es decir cuando la señal cruza por cero vamos a tener pulso positivo hacia el microcontrolador.
Fig. 8 Formas de onda
VI. DISIPADOR DE CALOR
Los disipadores de calor son componentes metálicos que utilizan para evitar que algunos elementos electrónicos como los transistores bipolares SCR, TRIACs, MOSFETS, etc., se calienten demasiado y se dañen. El calor que produce un transistor no se transfiere con facilidad hacia el aire que lo rodea. Algunos transistores son de plástico y otros metálicos. Los que son metálicos transfieren con más facilidad el calor que generan hacia el aire que lo rodea y, si su tamaño es mayor, mejor.
A. Cálculo de un disipador de calor
Se desea utilizar un transistor BC549 que produce 60 Watts en su juntura. Con los datos del transistor BC549, este puede aguantar hasta 200 Watts en su juntura (máximo) y tiene una resistencia térmica entre la juntura y la carcasa de: 1.5°C/W (carcasa es la pieza metálica o plástica que se puede tocar en un transistor). Si la temperatura ambiente es de 23°C, ¿Cuál será la resistencia térmica del disipador de calor que se pondrá al transistor? (RDA)
Con RJC = 1.5°C/W (dato del fabricante), la caída de temperatura en esta resistencia será T = RxP = 1.5°C x 60 Watts = 90 °C. Con RCD = 0.15°C/W (se asume que se utiliza pasta de silicón entre el elemento y el disipadorde calor), la caída de temperatura en RCD es T = RxP = 0.15 x 60 Watts = 9°C.
Tomando en cuenta que la temperatura del aire (temperatura ambiente es de 23°C),
el disipador de calor tiene que disipar: 200°C – 90°C – 9°C – 23°C = 78°C.
Esto significa que la resistencia térmica del disipador de calor será: RDA = 78°C/60 W = 1.3°C/Watt. Con este dato se puede encontrar el disipador adecuado.
Cuando se ponga un disipador de calor a un transistor, hay que evitar que haya contacto entre ellos. Se podría evitar ésto con plástico o el aire, pero son malos conductores de calor. Para resolver este problema se utiliza una pasta especial que evita el contacto. La virtud de esta pasta es que es buena conductora de calor. De todas maneras hay que tomar en cuenta que esta pasta aislante también tiene una resistencia térmica. Es mejor evitar si es posible la utilización de la "mica" pues esta aumenta el RCD. El contacto directo entre el elemento y el disipador de calor, contrario a lo que se pueda pensar, aumenta el valor de RCD, así que es mejor utilizar la pasta.
VII. CONCLUSIONES
Los pulsos generados por los circuitos detectores por cero, nos sirven en un circuito para identificar el inicio de la onda para obtener un sincronismo entre la onda y el pulso de encendido y 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 señal 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.
Es Recomendable realizar la conexión de los circuitos detectores de cruce por cero mediante un transformador reductor, ya que si se alimenta directo desde a red, se tendrá una medición más exacta pero el circuito corre el peligro de dañarse.
REFERENCIAS
[1] Barrera, G., Velez, M. y Barrera E. G. “Electronica de Potencia,. Memorias del X Congreso Nacional de Soldadura. Pp. 126-
136. Morelia, Mich., Mexico. 6 al 8 de Noviembre de 1996.
[2] F. Javier Azcondo, A. de Castro, V. Lopez, and O. Garcia, “Power factor correction without current sensor based on digital current rebuilding,” Power Electronics.
[3] WLADIMIR MUÑOZ JARAMILLOS: “Construccion de un modulo didáctico para el control electronic de potencia utilizando un GTO”, EPN 2012.
