Elegir el modo de programar un microprocesador: consultando de forma cíclica el estado de cada periférico (Polling), o creando una interrupción por cada periférico a controlar. Métodos a seguir para programar el microprocesador AT89S52 con 2 interrupciones y una consulta cíclica. Posibles efectos indeseados cuando se programa con interrupciones.
Cuando se programa un microprocesador con la finalidad de tomar decisiones, dependiendo del estado de alguno o varios dispositivos periféricos, como podrían ser: pulsadores, un reloj en tiempo real (RTC), termómetros, alarmas, etc… existen dos formas posibles de hacerlo:
-> La forma más sencilla y clásica sería consultar de forma cíclica el estado de cada periférico.
-> Lo ideal sería habilitar una interrupción en el procesador por cada periférico a controlar.
Consulta secuencial y periódica
En este proceso de consulta, también conocido como polling en inglés, es el propio procesador el que determina el momento en el que realiza la consulta.
Este método tiene el inconveniente de ser poco eficiente, porque el procesador consume muchos recursos realizando las instrucciones de sondeo… y además en algunas aplicaciones, una pequeña demora de tiempo afecta a la precisión de la medida o produce efectos indeseados. Por ejemplo, un error en la precisión cuando se utiliza un temporizador del procesador como patrón de tiempo de un reloj o cronómetro. Efectos indeseados, como podrían ser parpadeos, cuando se genera una señal PWM para el control de brillo de un display… o inestabilidad si se utiliza esta misma señal PWM para regular la velocidad de un motor.
Programar con interrupciones
Una interrupción sirve para detectar en tiempo real el momento en el que se debe realizar la consulta a cada periférico. Con la interrupción, es el periférico quien se encarga de avisar al procesador, y mientras tanto el procesador puede realizar otras tareas.
El orden de prioridad de todas las interrupciones se pueden programar en el procesador. Así el procesador decidirá si un proceso se debe interrumpir o no, en caso de que se produzca una interrupción mientras se está atendiendo a otra, o cuando se produzcan dos o más interrupciones de forma simultánea. Un mal uso de la prioridad en las interrupciones, también podría provocar efectos indeseados.
En la imagen anterior, al no tener la prioridad de interrupción el Timer que genera la señal PWM, se producen fluctuaciones en el ancho de impulso generado.
Diseño de un display de 7 segmentos SMD, con control serie. Con este circuito se pueden apilar tantos dígitos en serie como sea necesario, porque el número de pines de control no cambian. En este circuito se utiliza el TPIC6B595 como registro de desplazamiento, y un 74HC04 (6 inversores) como ‘driver/separador’ de las señales de control: Clock, Strobe y Enable. Al utilizar un registro de desplazamiento (Shift Register), las señales de control (Clock, Strobe y Enable) son las mismas para todos los dígitos, y la línea de datos (Data) se conecta al primer dígito… encadenando la salida de datos de un dígito con el siguiente.
El diseño de este display de 7 segmentos es modular, y se pueden conectar tantos dígitos en serie como sean necesarios.
Cada dígito dispone de su propio regulador de tensión de 5V, pero sólo es necesario instalar uno para alimentar toda la serie. Las conexiones de la salida de un módulo se conectan con las de entrada del módulo siguiente, permitiendo así alimentar todos los módulos con un sólo regulador de tensión. Con el fin de evitar una carga excesiva de las señales de control (Clock, Strobe y Enable) y evitar posibles interferencias en el cableado, cada módulo dispone de un circuito que hace las funciones de ‘regenerador’ de la señal.
El circuito integrado 74HC04 dispone de 6 inversores, y se utilizan de dos en dos, con el fin de obtener el mismo nivel lógico de la entrada en la salida. El único detalle a considerar, es que la conexión de las 3 señales de control con el registro de desplazamiento (TPIC6B595) se realizan en las salidas del primer inversor. De esta forma, la CPU debería entregar las 3 señales de control: Clock, Strobe y Enable en modo invertido.
Control de brillo PWM (Pulse-Width Modulation)
El control de brillo del conjunto de módulos que conformen el display, se realiza mediante la gestión de la señal ENABLE. Modificando el ancho del impulso de una señal de frecuencia >20 Hz, con el fin de evitar el parpadeo, se puede ajustar el nivel de luminosidad del display.
En la imagen anterior se puede observar que la frecuencia de la señal PWM es de 104 Hz, y al aumentar el ancho del semiciclo positivo el brillo decrece (ver el video). Como es lógico, el brillo máximo se obtendrá si permanece habilitado el 100% del tiempo la señal ENABLE (sin impulsos). En el circuito integrado TPIC6B595 el estado ON se corresponde con un nivel bajo (cero lógico). El control de brillo PWM lo podría gestionar la propia CPU, partiendo de la información que recibiera de un sensor de luminosidad.
Funcionamiento de un Shift Register o Registro de desplazamiento, muy útil cuando se necesita controlar una gran cantidad de dispositivos de forma simultánea, utilizando un microprocesador con un número limitado de terminales. Este componente electrónico –Shift Register– es muy usado en centrales de control destinados a la domótica, paneles electrónicos de tipo LED, etc.
8-Bit Shift Register
En los circuitos digitales, un registro de desplazamiento es una cascada de Flip-Flops que comparten el mismo reloj, en el que la salida de cada Flip-Flop está conectada a la entrada de datos del siguiente Flip-Flop de la cadena, dando lugar a un circuito que desplaza por una posición la matriz de bits almacenada en ella, desplazando los datos presentes en su entrada y desplazando el último bit en la matriz, en cada transición de la entrada de reloj.
Los registros de desplazamiento –Shift Register– pueden tener entradas y salidas tanto en paralelo como en serie. Normalmente se configuran a menudo como Serial-In, Parallel-Out (SIPO) o como Parallel-In, Serial-Out (PISO). También hay modelos que tienen entrada en serie y paralelo y otros con salida en serie y en paralelo. También hay registros de desplazamiento bidireccionales que permiten el desplazamiento en ambas direcciones (L → R o R → L). La entrada en serie y la última salida de un registro de desplazamiento, también se pueden conectar para crear un registro de desplazamiento circular.
Funcionamiento (Shift Register)
Para comprender mejor el funcionamiento de un registro de desplazamiento, se puede montar en una placa de pruebas (Protoboard) el siguiente circuito:
El hilo de entrada de datos (SER/DATA) se puede conectar a la línea de +5 o GND, dependiendo del estado lógico (1/0) que queramos introducir al registro. A continuación se pulsa el botón SRCLK/CLOCK, para que el primer dato entre en el registro, desplazando todos sus estados una posición en orden creciente. Si queremos visualizar el estado de los registros en el display, a continuación pulsaremos el botón RCLK/STROBE.
Para que funcione el registro de desplazamiento, el hilo SRCLR/RESET tiene que estar conectado a nivel alto (+5V), si lo conectamos a GND se inicializarán todos los registros poniéndose a cero (Reset).
Construcción de un detector de tensión por inducción, fabricado con muy pocos componentes electrónicos. El detector de tensión por inducción sustituye al clásico destornillador buscapolos con lamparita de neón. La ventaja de este detector, es que además de poder localizar el hilo activo de la red (Fase) sin realizar un contacto eléctrico, puede utilizarse para localizar averías en cableados.
En realidad no merece la pena fabricar un detector de tensión inductivo, porque se pueden comprar por Internet a un precio muy reducido. Sin embargo, se podría montar un detector muy sencillo utilizando componentes reciclados y con fines experimentales.
Puede montarse el circuito básico, con la indicación óptica del diodo LED, o añadir la opción del aviso acústico incluyendo 3 componentes más: una resistencia, un transistor y un zumbador piezoeléctrico activo.
Funcionamiento
Este circuito capta y amplifica el campo electromagnético que emite la señal alterna de la red eléctrica (50-60Hz). La intensidad del campo electromagnético es proporcional a la tensión del elemento conductor e inversamente proporcional a su distancia. Por este motivo, la sensibilidad del circuito será mayor en una instalación de 230 VAC que en otra de 110 VAC.
El elemento captador consiste en un trozo de cable, conectado a la base de un transistor de tipo NPN. La unión base-emisor del primer transistor hace de diodo, rectificando y amplificando el semiciclo positivo de la señal alterna inducida. Como la señal es sinusoidal y la ganancia del transistor es alta, a la salida (colector) obtendremos una señal continua pulsante con la frecuencia de la red (50-60Hz) y con una amplitud y ancho de impulso variable, dependiendo de la distancia que exista entre el punto de tensión (Fase) y el elemento captador. En la siguiente imagen se puede observar la forma de onda que aparece en el colector del transistor de entrada, antes de montar el condensador de 100 nF.
El condensador de 100 nF filtra la señal alterna, convirtiendo la salida en una tensión continua de amplitud variable. Así cuando conduce el transistor de entrada se produce una corriente variable en las 2 resistencias (100K y 1M), provocando la conducción del segundo transistor (PNP). Al conducir el segundo transistor, el cuál hace la función de interruptor-regulador de tensión, se polariza el último transistor y se enciende el indicador LED. La intensidad del diodo LED varía ligeramente en función de la distancia entre el punto de tensión y el elemento captador. De esta manera es más fácil localizar el cable de Fase cuando se encuentre dentro de un mazo. Si se quisiera añadir una indicación acústica al circuito, se tendría que montar otro transistor más para que el zumbador funcionara correctamente.
Debido a la elevada ganancia del circuito, junto con su alta impedancia de entrada, este comprobador es muy sensible a posibles inducciones entre elementos. Dependiendo de la distancia entre soldaduras y tipo de circuito impreso utilizado, podría funcionar de forma errática.
Posibles causas del salto de un disyuntor diferencial cuando no estamos en casa. Detalles del funcionamiento de un disyuntor diferencial, monofásico y trifásico, comprobando su correcto funcionamiento. Sobretensión en una instalación trifásica cuando falla el neutro, y modo de proteger la instalación mediante un circuito de protección casero. Detalles de funcionamiento del módulo de control MT53RA, montado en un diferencial trifásico de 40A. Modos de funcionamiento de un diferencial rearmable, y comprobación del ciclo completo con sus tiempos de rearme.
Sistemas de protección eléctrica
En los cuadros de distribución eléctrica se instalan dos sistemas de protección:
Magnetotérmico: destinado a la protección de la propia instalación eléctrica y los equipos conectados.
Diferencial: destinado a la protección de personas frente a posibles descargas eléctricas.
Magnetotérmico
El interruptor magnetotérmico es un dispositivo diseñado para proteger tanto la instalación eléctrica como los aparatos conectados a ella. Los magnetotérmicos incluyen dos sistemas de protección:
Protección Magnética – respuesta rápida frente a cortocircuitos: Consiste en una bobina colocada en serie con la corriente que circula a través del interruptor/disyuntor. Esta protección se activa cuando circula una intensidad de corriente entre 5 y 10 veces superior a la nominal. Este margen evita que se dispare la protección durante la fase de arranque de algunos dispositivos de potencia (principalmente motores).
Protección Térmica – respuesta lenta frente a sobrecargas: Consiste en una lámina bimetálica, la cuál se curvará en mayor o menor medida en función de la cantidad de corriente que circule por ella, provocando así un disparo de respuesta lenta. El sistema de protección térmica se dispara cuando se sobrepasa la corriente nominal durante un tiempo, protegiendo así la instalación eléctrica por sobrecarga.
Diferencial
El interruptor diferencial tiene como misión evitar que una persona que toque un conductor de la instalación se pueda quedar electrocutada, al circular una intensidad de corriente peligrosa (>30 mA) a través de su cuerpo a tierra. En instalaciones de tipo industrial, cuando los equipos conectados no son manipulados por personas, la protección diferencial se instala para proteger los equipos frente a posibles averías, al circular la corriente a tierra cuando existe alguna derivación eléctrica (normalmente por humedad excesiva o inundación). En estos casos, la corriente de disparo por derivación puede superar los 30mA, y se suelen utilizar diferenciales de mayor corriente (normalmente 300 mA).
El interruptor diferencial se conecta al inicio de la instalación, con el fin de proteger a las personas cuando manipulan en el cuadro eléctrico (conectar o desconectar algún magnetotérmico). Un interruptor diferencial mide la corriente que entra y sale del circuito, para así determinar si entra y sale la misma intensidad. Esta medida se realiza con un pequeño transformador de corriente, compuesto por un anillo de ferrita, el cuál traduce en tensión la diferencia de flujo magnético que lo atraviesa, entre el hilo de Fase y Neutro (ver imagen anterior). Si existe una diferencia de corriente entre ambos hilos (Fase-Neutro) superior a la nominal (>30 mA), la tensión inducida en el bobinado secundario provoca el disparo del mecanismo que mantiene conectados los contactos entre la entrada y salida del diferencial.
El interruptor diferencial dispone de un pulsador Test, con el fin de comprobar su correcto funcionamiento. El pulsador conecta una pequeña carga entre el hilo de salida de la Fase y el de entrada del Neutro. Cuando se pulsa el botón, la corriente que circula por la resistencia (>30 mA) pasa a través del anillo toroidal en un solo sentido y se provoca el disparo del diferencial.
¿Por qué se dispara el diferencial de forma aleatoria?
La normativa actual obliga a los fabricantes de electrodomésticos a que sus equipos no inyecten ruidos radioeléctricos ni armónicos en la red. Por este motivo, todos los equipos modernos incorporan a su entrada un filtro de red. Este filtro pasivo de tipo ‘paso bajo‘ elimina cualquier interferencia o frecuencia armónica que pudiera producir el electrodoméstico. Los filtros de red eliminan estas señales mediante condensadores colocados entre ambos polos de la salida del filtro y tierra (ver imagen siguiente).
Dichos condensadores provocan al mismo tiempo una pequeña corriente de derivación a tierra, cada vez que conectamos un electrodoméstico en la instalación… y todas estas corrientes se suman creando una corriente residual y permanente en la instalación (<30 mA). El problema es cuando a la entrada del cuadro eléctrico no llega una señal pura, sinusoidal a 50/60 Hz y libre de armónicos. En estos casos, como los condensadores de los filtros de red permanecen conectados aunque los electrodomésticos estén sin funcionar, se produce un incremento en la corriente diferencial que circula a través del cuadro eléctrico… y se provoca el disparo del interruptor diferencial.
En un cuadro de distribución trifásico existe un riesgo añadido, y es el de sobretensión en caso de que falle la conexión del cable de Neutro. Si no existe una conexión del Neutro entre el centro de transformación (compañía eléctrica) y la instalación, se provoca un desequilibrio en las tensiones de las 3 fases (ver imagen siguiente).
Si las cargas entre fases no son idénticas, la tensión en cada fase cambiará en función de su carga. La fase que esté más cargada tendrá una tensión más baja de lo normal, y en la fase menos cargada subirá la tensión. Si esto sucede, lo normal es que los equipos conectados a la fase menos cargada empiecen a quemarse por sobretensión. Si los equipos averiados acaban por desconectarse de la red (rotura de fusibles o cables de conexión), la carga en dicha fase será todavía menor y como consecuencia aumentará la tensión en dicha fase… provocando una reacción en cadena hasta que se queme el último equipo conectado.
Aunque existen módulos de protección contra sobretensión para instalar en los cuadros eléctricos, como no tenía espacio libre, decidí fabricar una protección de tipo ‘casero’ para proteger los equipos frente a un posible fallo del Neutro.
Este sistema de protección consiste en provocar una corriente diferencial alta en la instalación, en caso de que la tensión en alguna de las fases supere los 270V. Se instala un circuito idéntico por fase. Cuando la tensión de entrada en alguna de las fases supera la tensión del varistor (250V) la corriente alterna rectificada por el diodo y condensador llega al relé de 24 VDC, provocando el cierre de sus contactos. La conexión entre Fase y tierra de la resistencia de 4K7 provoca una corriente diferencial >30 mA, se dispara el interruptor diferencial y se corta el suministro eléctrico.
Tipos de interruptor diferencial
Un interruptor diferencial puede ser monofásico (2 polos) o trifásico (4 polos), para una intensidad de corriente máxima determinada (25A, 40A, etc.) y para una corriente de disparo diferencial fija o variable. Los diferenciales de uso doméstico, pensados para la protección de personas, son de 30 mA. Aparte de estos parámetros básicos, existen diferentes ‘Clases’ dependiendo del tipo de respuesta y funcionamiento. Para uso doméstico, normalmente se utilizan las siguientes clases:
Clase AC: sólo detecta las fugas de corriente alterna, y son los que normalmente se instalan en las viviendas.
Clase A o inmunizado: incluyen la detección de corriente continua pulsante, y están pensados para evitar los saltos intempestivos más frecuentes.
Clase A «si» o superinmunizado: es un diferencial del tipo A mejorado. Evita las desconexiones intempestivas por corrientes de alta frecuencia y saltos intempestivos debidos a elementos externos a la instalación que protege.
El diferencial Clase A «si» o superinmunizado, aunque no está contemplado en la Reglamentación Electrotécnica de Baja Tensión (REBT) es la solución cuando se producen disparos frecuentes del diferencial sin motivo aparente. El único problema es que suelen incorporar como protección contra sobretensión varistores… y si se avería alguno, te tocará cambiar el diferencial completo. Teniendo en cuenta que existen módulos externos para proteger la línea contra sobretensión con filtros de RF, los cuáles se pueden intercalar a la entrada del diferencial, un diferencial de Clase A podría ser la mejor elección. En caso de que su protección no fuera suficiente, siempre se podrían montar protecciones y filtros externos… sin tener que comprar un diferencial nuevo.
Interruptor diferencial rearmable
Cuando se dispara la protección diferencial, en la mayoría de los casos se soluciona el problema con una simple reconexión manual, ya que no se trata de una fuga permanente. Si esto sucede cuando estamos de vacaciones, la falta de suministro eléctrico se puede convertir en un gran problema: los alimentos se estropean en el frigorífico, las plantas se secan por falta de riego, el sistema de alarma no funciona, etc. Un diferencial rearmable garantiza la continuidad del suministro eléctrico, evitando pérdidas económicas.
Módulo de reconexión MT53RA
El módulo de reconexión MT53RA es un módulo independiente del diferencial, y podría controlar un magnetotérmico o un diferencial, monofásico o trifásico, siempre que pueda acoplarse el mando del disyuntor con su leva de actuación.
El módulo MT53RA tiene que alimentarse desde la entrada del disyuntor a controlar, ya que necesita estar alimentado cuando se dispara la protección. Este módulo puede controlarse a distancia mediante 2 pulsadores, permitiendo la conexión o desconexión cuando está en modo Automático. Cuando se actúa en algún pulsador, se deshabilita el rearme automático. Para volver a modo Automático, es necesario pasar a modo Manual y volver a modo Automático (Reset).
El MT53RA puede funcionar en modo Manual o Automático, y dispone de una tercera posición de bloqueo, que permite bloquear el mando para que no se pueda accionar de forma involuntaria. En esta posición, por la parte inferior del mando aparece un orificio para bloquer el mando con un candado o brida, y evitar riesgos cuando se están efectuando trabajos eléctricos en la instalación.
En mi caso, como ya tenía montada la protección ‘casera’ contra sobretensión y no salta el diferencial con demasiada frecuencia, he optado por montar un interruptor diferencial de Clase A rearmable. De esta manera no tendré que preocuparme cuando salte el diferencial sin estar en casa, porque se rearmará solo… y en caso de avería (3 rearmes consecutivos en menos de 6 minutos) se desconectará de forma permanente protegiendo la instalación.
