México D.F. a 1.1 de Septiembre de 199 1 r/ /

CC)NTROLADOR DE ELEC:TKODOMESTICUS

1USTIFICACZON tina gran catidad de eitctsndomksticos nacionales e importados. hacen un mal 11so de la

energla eléctrica; al funcionar durante períodos de tiempo inecesariamente largos O cortos. El ejemplo cljsico es el refrigerador. 0 el descuido de 1% pesanas al dejar cierto nhmero de luces prendidas cuando estas no se utilizan.

Fs posible incluir controladores en cada electrodomisticn pero esto elem mucho su precio. Por lo tanto una mejor so1uc:iJn es tener ut1 rolo cutltroladar para varios

l clcctrcdomisticos.

EL CONTROLADOR : b n contrcrlador de electrodomesticos tiene dgunm exigencias de iiiseiio. Este debe ser

Para lograr u t 1 alto grado de versatilidad es necesario que el cotltrolaclur sea baratoq versatil.confiablle. f a d de utilizar ,instalar y reparar.

programable

E l sistema consiste de ,3 mórfulns principales : I..!n controlador programable, Un m6dulo de tratwtlisiou y uno o varios mJddos de recepciSn.

i NSTALAC 16N ELECTRlCA

¿_os rn6jdulos de recepcicin son 113s que err realidad realizan la tarea de encendido o

El mtjdulu de trmsmisión es el que se encarga de enviar al los módulos de recepcitjn 1a.s

'X. futalmettte el m6dulo de c~~ttrof pragramable almacena y utiliza la udonnacibn

apagado del electrodoméstico.

señales adecuadas para el control de cada tmo de los electrodomisticos.

r-tcces-aria pmu el control dc cada uno de ins ciectrodomisticos invoiucrados,

LA COMUNICACION I

La parte principal de este proyecto es la comunicación entre et rnbddo de trmurnisi&~ y 1 4 6 4 9 9 el o los rnhdulos de recepcih. La opcibn que permite m a instalaci6n barata y simple es la c .

Se propone redizar esta cnmunicacicin atru-<is de la línea de alimentacicin de los mismos electrodomesticos. El receptor esta conectado a LKI enchufe de aiimentacibn donde el cleztrodomistico a contmtnr tmbiir! est5 t:imesyf&t7, io sm.tcritx- elimina mllchrj el mabnj~ de instdación y matltenin~iento del sistema y asimismo aumenta su versatilidad.

FI mmsmkor obviímente tambiin tiene que estar conectado S la línea de aiimentaciljn de los electrodomesticos pero no en el mismo punto donde est$ el electrodomistico. D e esta manera al controladw junto con el transmisor pueden est& conectados en cualquier l u g a r de la kstaiación eléctrica y los receptores en cualquier otro l u g a r de la misma ktdacion.

. ._

PROTOTIPOS DESARROLLADOS CON EXITO MCEP'TORES r)ur&lte e1 proce:so de investigacion de este sistema se desarrollaron dos prototipos del

receptor. Cada 11110 con sus ventajas y desventajas.

Figura 1

ADAY'CADOR DE LINEA : Este rn6dulo es birsicamente un circuito entonado formado por un transistor y un

tfausfwmador de pulsl~r (Fig 2a.3). Debido a que la impedancia de la linea de dimentaciim puede ser menor a 1 Ohm es necesaria la utilización de un trarufmnador pilra acvpliu impedancias. L a frecuencia de la portadora es mayor o igual a ius 1 O O K k por 10 tanto es necesarin LUI trirnsmformador de pulsos.

El transformador utilizado es de "frecuencia intermedia" (455Uw.) como los que se us-m en los radios de A.M. El primario del transformador tiene tma impedancia de 4 C3hms a OHz. El secundario del transformador (el lado de la linea de alimentación) tiene ulna impedancia de 0.3 Otuns a OHz. Las anteriores características del transformador lo hacen ideal C Q ~ O adaptador de linen. aún para ambientes industriales.

Los cnpacitores (0,ImF @2505') en el sccumdario del transformador son para aislar afectivmerlte la linea de dimenttxicin. del circuitti.

UEMODULADOR : Se pueden utilizar 3 tipos de demoduladores : Un filtro pstsabzmda de banda angosta, el cud solo detecta l a s frecuencias de los WKG,

Yegtlidn de urn integrador para establecer !MI nivel TTL (Fig 2b). Este circuito funciona bien si l a s f r e c ~ ~ ~ c i a s que correspotldett a !CIS unos 37 a los ceros están suficietiternente separadas.

T T

[.it% ciett$ctor de t l m t I ( L r n ~ t ; ~ ) . €$te circuirc: fiwciotta bi&z para mtrz moddadnra (metmjej d, hmtu "4Kfizz.

t '$1 pI..L. (LM565). Este circuito funciona exelentemente si se utiliza como mnddador, del lado del emisor, un oscilador controlado por voltaje. Cuyas frecuencias de moddacih (para los WIGS y los ceros) estan lo suficientemente juntas. El rango de operacihn de este circuito es de tmsra 1/10 de \a frecuencia de la portadora. Para la utilizacibn de este circuito es necesario utilizar un integrador o 'MI comparador para restaurar los niveles TTL.

El circuito mas .sencillo y apropiado para eí controlador de electrodomesricos es el detector de tono ya que no se requiere una velocidad de tsnnsmisibn alta. Ademas de que st1 salida es l o sllficientemente potente para activar directamente CUI triac.

REGISTRO DE CORRlMiENTO : Este módulo es :simplemente t m 74LS164. Un registro de corrimiento cuya entrada es

serie y sdida ts paralelo.

APAGADORES('"SWITCHES"): Estos apagadores son los que contienen la identificacíbn k i c a para cada receptor.

GENERADOR DE RELOJ I El generador de reloj se puede implementar de dos maneras : I ocdmente . C.on IUI nscilador corno el ¡..m555 (o tmbikn con txn circuito RC con

Remotamente : Al transmitirse In idormsci6n tambiin se transmite el reloj salo que con retrxmlimentacih (fig. Zc)) o un cristal y un juego cle compuertas.

atra frecuencia de portadora.

COMPARADOiR DE 4 BITS : Este circuito s i n e para decidir si el mensaje recibido es para el receptor en cuestibn o si

es para a l g ~ ~ otro receptor. Compara la identificacibn recibida con la identificacibn guardada en los apagadores mencionados anteriormerrte.

"LATCH" : Culu~dis la identificaciljn corresponde a la idetltificaciijn del receptor ett cuestiljt-g

enronc.es la lnformaciC18n se almacena aquí. E.sta información es generalmente un uno o un cero para u~ficar apagado o etlcendidr, del electrodomistico.

OPTO-ACOPLADOR : Fste elemento <:S iítit para aislar al receptor del electrodomisrico, en caso de aigtín

prc~ldcrna c m kste <ítimo.

RECEPTOR AlNAL~GiCO : Consta principdlmeute de 4 elemelltos :

T 1 LI:.-.*:~ - . I , : - S r t r x " - -1 t ~ i S t r L $ i O S i )ra hSti SidG €I%tadiX Eitk Ci fROdPit3 digkid. L a difererwlu es 'que en este modelo el receptor solo necesita detectar una señd de una

frecllencia dada y a s i activar el triac. En un principio se pens6 en un receptor cuya frecuencia del detector de tono fwern variable mediante un selector de varias posiciones. De esta manera podria ser posible c.ambiar la "identidad" del receptor, c-mbi-ando la frecuencia del detector de tono. Pero el problema que surgib aqui f u i que el adaptador de línea es un circuito resonante con un ancho de banda relativamente angosto. Es posible hacer mas amplio el ancho de banda del adaptador de línea pero la ganancia del circuito es muy pequeña lo cual ocaciona que el sistema completo ya no sea litil a una distancia de mas de 4 metros (La distancia entre el emisor y el receptor). Por lo tanto se opt6 por un receptor de frecuencia (mica. .4umque esto limita rnuchc:~ la + ersatitidad del sistema. permite que siga siendo cordiable.

EMISORES

u n o digital.

EMISOH DIGITAL

ins datos y el reloj.

,;U igud que el receptor. tambien se desmollaron dos tipos de emisores uno mdbgico y

El emisor digital filk el mas sencillo, puesto que solo debe tener la circuiteria para enviar

Datas

Reloj datos y reloj Adaptador de ifnnea Linea

Figura 4

Las partes principales scm el moddador de datos y reloj, la Cnente de alimentaci6n y el

El adaptador de linea puede ser como los dt? la figura 2a.l O 2a. t . 1.a fuente de poder es de 5 'i'olts DC y 18 V o l t s DC. (Figura sa). E1 moddador de datos 5; reloj es a base de un oscilador RC con usm compuerta TTL

adaptador de linea,

(Figura 5b).

EMISOR ANALOCICO : El emisor mdógico consta principalmente tie 4 partes (Ver figura 8)

1. RcsgkWas. 2. Osciladlores. 3. Adaptaldores de línea. 4. Fuente de poder.

‘?-

all

A la Knea de 117V

Figura is

E¡ emisor anaiógilco finaimente resultó mucho mas caro que su contraparte digital. &esto que para cada electrodoméstico se necesita un oscilador y un adaptador de línea.

Se puede ahorrar un poco en este respecto. La razón de tener utt adaptador de línea por tsscilador se debe a quc el adaptador de linea es un circuito resonante con un ancho de banda relativamente angosto. Pero se pueden meter a un adaptador de linea 3 osciladores. Un osciladur cuya frecuencia central sea la frecuecia de central del circuito resonante, y los otros dos wciladores deben tener frecuencias de oscilacibn muy cercanas a la central. UTI mcilador con frecuencia un poco mayor a la frecuencia central y el otro con m a frecuencia u11 poco m e m r a la frecuencia central.

Respuesta del I" adaptador de

Figura 7

CONCLUSIONES

contitwucion se muesta un cuadro comparativo que resalta l a s ventajas y desventajas m a s importantes de los dos sistemas desarrollados ,

SISTEMA DIGITAL VENTAJAS e - Alta confiabilidad. En el sistema digital solo se utilizan dos frecuencias para

trriresmitir el reloj y los datos (solo se transmiten un nivel lbgico "cero" o " ~ 1 ~ 3 ~ ' ) . Por lo tanto se riene una mayor itunutlidad -al ruido.

- Niiiero de receptores prictimmente ilimitado. A cada receptor se le asigna CUI &digo binario el cud se compara con parte de la infomnci6n recibida. - Reparacibn sencilla. Ya que solo pocas cosas se tienen que ajustar.

SiSTEMA A N M O G K O VE,NT.WAS : - Pequeño y barato. Muy atractivo para uso casero

- Re;gdarmentc confiable.

DESVENTAJAS : - Mas: sensible a ruidos en la linea (Encendido de motores,television, etc):

- biumero de receptores iimitado por el ancho de banda disponible para t,rax;mitir. Tmbikn esta iimitacibn se debe a que no se pueden utilizar frecuencias que seat1 el 2" armórlico de otro receptor, a menos que a la salida de los osciladores del emisor se incluya un filtro pasabaja muy confiable (2" 0rd.enj.

Observaciones : Para un uso casero donde se requiere relat.ivnmente POCOS electrodomisticos a controlar.

El sistema lulalOgico puede ofrecer una buena opcibtl. El emisor lumlógico aurque voluminos~~ J: tu1 pmm caro, permite que los receptores sean mas pequeños, baratos y sencillos. Aunque se limita s u versatilidad y a que a un receptor no se le puede cambiar de "identidad". Es decir si desde r m principio un receptor es el nrimero 3. seguir6 siendo el nhnero 3 pur el resto de s u vida.

Las pricipdes caractensticas del sistema digital son la de ser el mas confiable y m a s versatil. El problema principal con este sistema es que sus' receptores son voluminosos y caros. Por I o que solo se recomienda parfa uso industrial. Aumque si la mayor parte de In circuitena del receptor re integrara en un solo circuito integrado. Este sistema seria el mejor. con mucho, en cualquier ambiente, ya sea casero u industrial.

Et1 el prototipo f i t d se utilizS el m&todo mas seguro. Se envían tanto los datos como el rcloj. D c tal manera qpc en cI receptor. cl gcncrador dc rcloj sc convierte cn un rcccptor priíicticmente igual al receptor de datos.

Nota : loda la itlfonnaci;7n que sigue se refiere a In figura titulada "Fmisor &&&al''.

Los datw se reciben por el bus de datos del sistema en el registro de corrimiento (UL). Se ut.ílLa un reloi de laprosimadamente 100Hz. En este sistema no importa mucho la velocidad de trarsmiciiin. Aunque por el tips de demoddaclor que se utiliza en el receptor (LM567) no podemos transmitir a mas de 1000Hz. La compuerta C i 3 genera la señal de carga (LD) para el registro de corrimiento a de l a s líneas WR y C S del sistema.

. .

Todos los ele~mentos que a continuacicin se describen se encuentran en una tarjeta distinta d mtidulo prog;r;unable.

Los datos, el reloj y la linea de tierra son la única conexión entre eí módulo programable y el emisor. De esta manera se utilizan fuentes de aiimentacibn distintas que evitan que una descompostura seria en el mbdulo emkor no afecte la programacibn (Se borre la memoria) en el móduio programable.

Ei circuito U 5 se encarga de ia adaptaciljn y msclulaci6tt de los datos y el reloj. Las compuertlls UJB y U4ID son osciladores controlados pur el nivel lógico en una de sus erthadas. Si el nivel Irjgico en 121 entrada es O entonces el oscilador no trabaja. Lo contrario ocurre si el nivel ligicn a la entrada es 1. La frecuencia d e oscilacibn depende de R1 y CIS para el modulador de datos. 1' de R 4 y C8 pana el rnodulatlor del reloj.

FO = l / f l . l * R * C )

L-a seiiiales m,oduladas entran a los acopladores de línea Q l y QZ. Estos transistores funcionan en corte y saturación. El circuito formado por (11, RL, C14, D4, R3, C.5 y T2 es u n amplificador entonado a la frecuencia de modulacilin para los datos. X esta frecuencia el circuito R3, C5 y Tt representan una impedancia grande por In tanto ei transistor no necesita limiiacibn de cmrriente. El capacitor C 1 4 Permite que el transistor Ql esté abierto cuando no se transmita a h cuando la sdidad del oscilador es S 5'01ts cuando está inactivo. El diodo D 4 evita que el transistor Q1 reciba demaciado voltaje inverso entre la Base y el Emisor. Los capacitorcs C9 y Cia pcnnittn aislar efectivmtntc cl circuito emisor de la línea de dimentacicitl.

La fuente de dimentacibn formada por 132 y C.$ proveen de 18 c'ults DC. C o n esta dtlimentaciim se tiene luna señal de datos de aproximadamente 29Vpp. La relaci6n de voltajes entre el primario y el secundario del transformador de pdso es 32 : 1. Por lo tanto se obtiene una sefial de casi 1 Volt a la salida del circuito.

El circuito fonnado por Q2, R5, CIS, D5, R6. C7 y T 3 funciona casi igual que eí circuito q u e se acaba de describir. A diferencia que el prirner circwito (Transmisor de Datos) funciona a LOOKhz, el segundo circuito (Transmisor de reloj) funciona a 1 O O K h z .

Nota : En este punto es importante set?al.ar que el v-alur de C5 y C7 es crucial p'xa el buen funcionamiento del sistema.

C S = l n F +- 2%. 200Khz C.7 = 3.9nF *- 2% --m,> lO0Khz

Los mljddos de recepcijn de datos y el de reloj son prácticamente identicos. Por lo tanto describir6 el hmcionamiento de uno de ellos, y luego mencionare l a s pequeñas diferencias entre los dos. Todo el testo siguiente se refiere a la figura titulada "receptor dg&&".

Sección d ó g i c a I La señd de inlformacibn que viene montada en ía señaí de dimentacicin (117Vms),

entra por los capacitores C'2 y C3 (C 12 y 0 13 en al receptor del reloj); estos capacitores aislan efectivamente al circuito de la seiial de potencia { 117Vrms). La seiial pasa al transformador de pulsos T 2 (T3j. El secundario de T2 jT3) junto cm la red C4,C5,R2 y R3 fC14,C15,Rí2,R13) forman un circuito entonado a ¡a frecuencia de la portadora de los datos, ZOOKhz (Reloj = 100KhzLj. La frecuencia de resonancia depende del capacitor C4 (C 14). La resistencia R3 (R13) introduce TUL factor d t amortiguamiento al sisttma, para evitar oscilaciones. La red R2,CS (RlZ,C'15) elimina l a s frecuencias mayores a 7 2 K l ~ que pudieran entrar por la fuente de dimentaci6n. De td manera que la señd útil la tenemos del otro extremo de R3 (R13). L a señd culltirrua pur C6 fC116j. Este capacitor permite pasar la seííd útil y eiimirra el posible mido introducido por la fuente, además de no modificar la polarizacibn del transistor Q l (Q2). El sktcrnu formado por Ql.RJ.RS.R6,P.ir.R$ (Q2.Rlj.Rls.f;ls.Rl7.~1S~ es ufl amplificador con ganecia de aproximadamente 100 (La Reta del tramistor es de apros ZOO). L.a señal que sale por C 7 ( C l 7 j Enha al detector de tono (PLL 567). Fste detector de tono tiene una frecuencia central de Z O O K h z con. 1111 ancho de banda de aprcw. 25 Khz (lOOKhz, 10Khz). Finalmente los datos (Reloj) salen por la pata S del LM567.

. .

Figura 1

La,L 1 ...> Hits limite AO,Al.A2.A3 "-> Bits de direcciljn del receptor DOD1 "*> Bits de datos ( Solo es necesario uno de ellos)

1-0s bits límire sirven para asegurar que la informaciiin en el registro de corrimiento sea sdida. Estos bits entran a las lineas de habilitación del latch (74LS173 patas 9 y 10). Por lo tanto para que cualqu.ier dato entre al latch los bits limite deben se cero. Ademjs estos bits sirven como protecci'ón cuando no hay transmisión. Al no haber transmisión la salida del detector de tono es un uno (1) lhgico. Entonces para que la informacihn en el registro de corrimiento sea vaida debe haber trammkibn.

Los bits de dirección entran directamente al comparador de magnitud de 4 bits { 74LSS5), Los otros 4 bits que entran al comparador de magnitud provienen del DIP-SWITCH que contiene la dirección alambrada det receptor. Con esta imptementación, et número máximo de receptores distintos es 16. Si se quiere aumentar el n k e r o m k i m o de receptores distintos se puede hacer, simplemente aumentando etapas en paralelo. Se necesita un registro de corrimiento mas grande un comparador de mas bitx y un DIP-SWITCH m a s grande.

Por ejemplo si se quisiera aument.w el r&nero mkximo de recept.sres distintos se haría In siglliente :

"" I I

Donde ahora tenemos espacio para m a s datos (6 bits). Si queremos utilizar en anterior ~ o c l e l ~ en su totalidad para controlar electrodomésticos. solo necesitamos 1 bit de informaci5n. Por Io tanto nos quedan 13 bits de dirección. Esto nos da un límite de 213 = 8192 electrodomésticos distintos, lo cual y a es demasiado para cualquier uso práctico.

L.a salida del comparador de magnitud (Pata 6 ) . Bloquea el reloj (Por medio de la compuerta U3b) que llega d latch si ia direcci6n en el registro de corrimiento es distinta a la direcciorl alambrada en el DIP-SWITCH.

Finalmente vemos que un dato solo entra d latch si se cumplen dos cosas simulttinemente : - Los bits limite: son igud a cero - L a direccibn fen el registro de corrimientcl es igual a la direccibn alambrada

La compuerta U3c junto con la red R1,C 1 y SWL permiten limpiar el latch (ponerlo en ceros). Por este medio l e s posible apagar el electrodomistico sin tener que recurrir d emkor.

El switch que realmente apaga y enciende al electrodom~stico es el triac TIC-206E). \r para a d w al triac del circuito receptor se utiliza un opto-triac (M~3C--3011) . For medio de este opto-triac se aisla eléctricamente al circuito receptor de la carga a controlar, y adem& dispara continrramente al triac lprincipal (TIC-20613). La resistencia R2.3 solo limita la corriente m&xima que pasa por el diodo de U7. L a resistencia RZJ limita la corriente que se alimenta en la compuerta del triac principal.

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las siguientes notas muestran algunas aplicaciones. que utilizan el sistema de transmisibn atravez de la línea de alimentaci6n. que ya esisterl en el mercado.

CONECTE SU IMPRESORA SIN EL FtELAJO DE CABLES :

Existe un nuevo producto norte-americano ILamado \'erran AC data lit&. Este producto permite conectar una impresora a lwa computadora atravez de la línea de alimentación de un edificio. Este sistema puede utilizarse como puerto serie o como puerto paralelo. con opción de hacer conversiones entre uno J.' ntrn tipo de puerto. Este sistema consiste de dos partes : el emisor que va conectado a la computadora y el receptor a la impresora. Pero la utilidad principal de este sistema es que puede manejar impresiones de hasta siete computadoras. Es decir. funciona como un spooler para la impresora.

El sistema transmite a una velocidad de 840 bytes por segundo.

Recio : $395 USD Compañia : GEC-Murcsni Software systems.

SISTEMA DE ALTA FlDELIDAD :

El sistema de alta fidelidad consiste en m a forma de transmitir señales de audio de alta fidelidad por la linea de dimentaci6n. La sefiai die audio es modulada en FM por medio de un oscilador controlado por voltaje (LhI 566)! y demoduiada por tin PLL cltisico (LM 563). Adem& incorpora una salida de potencia cap& de activar efectivamente a una bocina de S O h S .

Este sistema esta perfectamente descrito en el manual de Lmear Aplications de National Semiconductor GO. Escrito por Jim Sherwin y Tim Regm. F'tiggina 390. Aplications Note 146.

Enao de 1991