INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO

“PROPUESTA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL MICROCONTROLADOR HCS12 EN EL DESARROLLO DE UN SISTEMA INTELIGENTE DE ILUMINACIÓN

PARA LOS VAGONES DEL STC METRO”

PROYECTO TERMINAL

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

C. EDUARDO COSME JUAREZ

ASESOR TÉCNICO

M. EN C. MANUEL GARCÍA LÓPEZ

ASESORES METODOLÓGICOS:

M. EN C. ESCUTIA GÓMEZ JUAN DE JESÚS NERI

M. EN C. BALTAZAR HERNANDEZ GUILLERMO

MEXICO, D.F. JUNIO 2011

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Índice

Objetivo principal. 8 Objetivo especifico. 9 Introducción. 10 Justificación. 11 Planteamiento del problema. 12 Alcance. 16 Estado del arte. 17 Glosario de términos 19

Capitulo 1 Generalidades 1.1. Generalidades de los microcontroladores. 21 1.2. Generalidades de la iluminación. 22 1.3. Generalidades de los tipos de controladores. 23 1.3.1. Controladores clásicos. 23 1.3.1.1. Controlador P. 24 1.3.1.2. Controlador PD. 24 1.3.1.3. Controlador PI. 25 1.3.1.4. Controlador PID. 25 1.3.2. Controladores inteligentes. 25 1.3.2.1. Lógica difusa. 25 1.3.2.2. Redes neuronales. 26 1.4. Elección del tipo de controlador. 26 1.5. Descripción del proyecto. 27 1.6. Normatividad 28 2. Capitulo 2 Características de Iluminación Led 2.1. Principio de funcionamiento de los leds. 30 2.2. Descripción de los Leds 30 2.3. Producción. 32 2.4. Composición química. 33 2.5. Eficiencia energética. 33 2.6. Vida útil. 34 2.7. Clasificación de los leds. 34 2.7.1. Led estándar. 34 2.7.2. Led de superficie. 35 2.7.3. Led de potencia. 36 Capitulo 3 Control Digital 3.1. Características del control digital. 39 3.2. El principio de realimentación. 40 3.3. Tipos de controles. 41 3.3.1. Control on-off. 41 3.3.2. Control proporcional. 42 3.3.3. Ecuación del Control proporcional (P). 43

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3.3.4. Ecuación del Control proporcional más integral (PI). 43 3.4. Criterios de sintonía. 44 3.4.1. Caracterización de bucle abierto. 45 3.4.2. Caracterización basada en dos parámetros. 45 3.4.3. Aproximación como sistema de primer orden sin retardo. 46 3.4.4. Aproximación como integrador mas retardo puro. 47 3.4.5. Método basado en tres parámetros. 50 3.4.6. Caracterización del sistema en bucle cerrado. 53 3.4.7. Método de la oscilación mantenida. 53 3.4.8. Identificación utilizando un relé. 55 3.4.9. Esquema sintético del sistema de control. 56 3. Capitulo 4 Descripción del Microcontrolador HCS12 y Driver AMLDL 4.1. Microcontrolador HCS12. 58 4.2. Terminales del HCS12. 62 4.3. CPU. 63 4.4. Modos de funcionamiento del HCS12. 65 4.4.1. Modo solo chip. 65 4.4.2. Ampliado. 65 4.4.3. Prueba especial. 65 4.5. Registros de la CPU. 66 4.5.1. Registro de PWM. 67 4.5.1.1. Registro (PWME). 68 4.5.1.2. Registro de polaridad del PWM (PWMPOL). 68 4.5.1.3. Registro de selección del reloj (PWMCLK). 68 4.5.1.4. Registro de pre escala del reloj (PWMPRCLK). 69 4.5.1.5. Registro que habilita la alineación (PWMCAE). 69 4.5.1.6. Registro de control de PWM (PWMCTL). 70 4.5.1.7. Registro de escala A (PWMSCLA) / Registro de escala B (PWMSCLB). 70 4.5.1.8. Registro del contador de los canales de PWM (PWMCNTX). 70 4.5.1.9. Registro del periodo para los canales PWM (PWMPERx). 71 4.5.1.10. Registro de duración de canal de PWM (PWMDTYx). 72 4.5.2. Registro del ADC. 73 4.5.2.1. Registro de control ATD2 (ATDCTL2). 74 4.5.2.2. Registro de control ATD 3 (ATDCTL3). 75 4.5.2.3. Registro de control ATD 4 (ATDCTL4). 75 4.5.2.4. Control de registro ATD 5 (ATDCTL5). 75 4.6. Etapa de potencia. 76 4.7. Características del driver. 76 4.7.1. Driver tipo BOOST CONVERTER. 76 4.7.2. Driver tipo CHANGE PUMP. 76 4.7.3. Driver tipo STEP UP. 77 4.7.4. Driver tipo BUCK BOOST. 78 4.8. Elección del driver. 78

CAPITULO 5 Diseño del Sistema de Control Para Iluminación Led 5.1. Diagrama a bloques del sistema. 81

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5.1.1 Diseño del control PI 82

5.1.1.1. Selección del periodo de muestreo 84 5.1.1.2. Ajuste de Control Digital PI 84 5.1.1.3. Algoritmo de control 85 5.2. Diagrama de flujo. 87 5.2.1. Inicio y declaración de variables. 88 5.2.2. Llamando a la rutina general. 89 5.2.2.1. Llamado de la subrutina “CONVERTIDOR ();”. 90 5.2.2.2. Llamado de la subrutina “CONTROL_PI”. 91 5.2.2.3. Llamado de la función “GENERADOR_PWM”. 92 5.2.2.4. Llamado a la subrutina “WAAA();”. 93 5.3. Código del Programa. 94 5.4. Control de la iluminación. 96 5.5. Sensor de intensidad luminosa. 97 5.6. Diagrama de conexiones. 99 5.6.1. Diseño del circuito. 100 5.6.2. Lámpara led de prueba. 100 5.7. Diseño final. 101 5.8.1. Curva del comportamiento de la corriente con respecto a la tensión. 102 5.8.2. Prueba del sistema de control PI. 102 5.8.2.1. Sondeo de la señal de salida del PWM. 103 5.8.3. Respuesta del algoritmo de control PI. 104 5.8.3.1. Análisis al mínimo de intensidad luminosa. 105 5.8.3.2. Análisis al 40% de intensidad luminosa. 106 5.8.3.3. Análisis al 80% de intensidad luminosa. 108 5.8.3.4. Análisis al máximo de la intensidad luminosa. 109 5.9 Estimación de costos en el proyecto 111 5.10 Conclusiones. 113 BIBLIOGRAFIA 114 ANEXOS 116

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INDICE DE TABLAS Y FIGURAS

Figura i Recorrido superficial del convoy con las luces interiores encendidas en la media tarde Figura ii lámpara fluorescente tipo t8 dentro de su gabinete con su respectivo difusor. Figura iii lámparas fluorescentes encendidas a medio día Figura iv Diferentes facetas de la iluminación dentro de los vagones del sistema colectivo metro, mostrando las falta de mantenimiento que se tiene en los vagones. Figura 1.1 diagrama a bloques del sistema cerrado para la implementación del proyecto Figura 2.1 Descripción de las partes de un led estándar de 5 mm Figura 2.2 Los primeros leds fueron de color rojo debido al epoxico que los protege Figura 2.3 Diferencia entre los epoxicos de las primeras décadas de fabricación de leds a las actuales con epoxicos traslucidos Figura 2.4 Leds del tipo estándar en sus diferentes presentaciones de 3mm y 5mm respectivamente Figura 2.5 En la parte superior se muestra un solo led de superficie tipo 5050, en la parte inferior se muestra una tira de leds superficiales del tipo 3528 Figura 2.6 led de potencia de 50 watts Figura 2.7 Led RGB de potencia de 5 watts sin disipador Figura 3.1 lazo típico del control digital Figura 3.2 Principio de retroalimentación negativa Figura 3.3 A característica de un controlador on – off ideal y modificaciones con B zona muerta y C histéresis. Figura 3.4 Característica de un controlador proporcional. La entrada es el error de control e y la salida es la señal de control u. Figura 3.5 Respuesta frente entrada escalón Figura 3.6 Obtención del tiempo de residencia del sistema Figura 3.7 Comparación entre la respuesta real y la aproximación dada por un sistema de primer orden (trazo discontinuo) Figura 3.8 Obtención de los parámetros L y a Figura 3.9 Comparación entre las dos aproximaciones. La respuesta temporal real del sistema se representa en trazo continuo Figura 3.10 Comparación entre las dos aproximaciones. El diagrama de nyquist del sistema real se representa en trazo continuo. Figura 3.11 Aproximación del tiempo muerto y de la constante de tiempo del sistema. Tabla 1 Reglas de Ziegler Nichols en bucle abierto Figura 3.12 Seguimiento y rechazo de perturbaciones para el controlador obtenido con el método de Ziegler-Nichols en bucle abierto Figura 3.13 Punto de corte con el semieje negativo Figura 3.14 Metodo de la oscilación mantenida Figura 3.16 método del relé Figura 3.17 Diagrama a bloques del sistema a diseñar con un control PI Figura 4.1 Diagrama a bloques general del HCS12 Figura 4.2 Identificación del numero de parte

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Figura 4.3 Imagen del microcontrolador MC9S12 GC32CPBE 1M34C CTQAQ0621 Figura 4.4 Diagrama interno a Bloques del HCS12 Figura 4.5 Asignación de los pines correspondientes en la presentación de 52 pines encapsulado LQFP, el cual se utiliza en este proyecto Figura 4.6 Diagrama electrónico de los componentes del microcontrolador HCS12 Figura 4.7 Distribución de las localidades de memoria para los tipos de arranque Figura 4.8 Registros del HCS12 Figura 4.9 Diagrama a bloques del modulo de PWM en el MC68HCS12 Figura 4.10 Bloques del registro PWME Figura 4.11 Bloques del registro PWMPOL Figura 4.12 Bloques del registro PWMCLK Figura 4.13 Bloques del registro PWMPRCLK Figura 4.14 Bloques del registro PWMCAE Figura 4.15 Bloques del registro PWMCTL Figura 4.16 Bloques del registro PWMSCLA/PWMSCLB Figura 4.17 Bloques del registro PWMCNTx Figura 4.18 Bloques del registro PWMPERx Figura 4.19 Bloques del registro PWMDTYx Figura 4.20 Diagrama a bloques del convertidor analógico digital Figura 4.21 Bloques del registro ATDCTL2 Figura 4.22 Bloques del registro ATDCTL3 Figura 4.23 Bloques del registro ATDCTL4 Figura 4.24 Bloques del registro ATDCTL5 Figura 4.25 LT3477: Drivers para LEDS de alta potencia (350mA a 10A) – Tipo ‘Boost’ - Linear Technology - Figura 4.26 LT3476: Drivers para LEDs de alta potencia (350mA a 10A) – Tipo “Buck-Boost” - Linear Technology - Figura 4.27 Imagen inferior: vista inferior del driver; Imagen superior: vista de la base del driver Figura 4.28 Diagrama a bloques del sistema de control de iluminación Tabla 2 Designación y capacidad del los diferentes tipos de datos más utilizados en c Figura 5.1 Arreglo propuesto para el estudio del control del modelo PI aplicado al microcontrolador HCS12 Figura 5.2 Driver tipo buck-boost modelo AMLDL-3035Z Figura 5.3 Sección transversal de una celda solar Figura 5.4 corriente de corto circuito y voltaje de circuito abierto contra intensidad luminosa Figura 5.5 Celda solar de 5v utilizada para el sondeo del flujo luminoso Figura 5.6 Diseño del circuito impreso en ARES 7 Figura 5.7 Circuito diseñado para el control PI de una lámpara led. Figura 5.8 Lámpara de leds utilizada en la prueba Figura 5.9 Prototipo de control y regulación de intensidad luminosa PI Figura 5.10) Grafica del comportamiento del aumento de la corriente con respecto a la tensión de alimentación. Figura 5.11) Etapa inicial de la prueba Figura 5.12) Sondeando la terminal de PWM Figura 5.13) Respuesta del control PI

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Figura 5.14 Respuesta ante un dato ADC mayor al dato de referencia Figura 5.15 Lámpara emitiendo el minimo de su intensidad total Figura 5.16 Modulo de PWM suministrando un 40% de su capacidad para obtener una intensidad luminosa óptima. Figura 5.17 Lámpara emitiendo el 40% de su intensidad total Figura 5.18 Modulo de PWM suministrando un 80% de su capacidad para obtener una intensidad luminosa óptima. Figura 5.19 Lámpara emitiendo el 80% de su capacidad total Figura 5.20 Respuesta ante un dato del ADC muy pequeño con respecto al dato de referencia Figura 5.21 Lámpara led suministrando la máxima intensidad luminosa. Figura 5.22 Respuesta ante un dato ADC mayor al dato de referencia Figura 5.23 Lámpara emitiendo el minimo de su intensidad total Figura 5.24 Modulo de PWM suministrando un 40% de su capacidad para obtener una intensidad luminosa optima. Figura 5.25 Lámpara emitiendo el 40% de su intensidad total Figura 5.26 Modulo de PWM suministrando un 80% de su capacidad para obtener una intensidad luminosa optima. Figura 5.27 Lámpara emitiendo el 80% de su capacidad total Figura 5.28 Respuesta ante un dato del ADC muy pequeño con respecto al dato de referencia Figura 5.29 Lámpara led suministrando la máxima intensidad luminosa.

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OBJETIVO (PRINCIPAL)

Presentar una propuesta de un sistema de control que mantenga un nivel óptimo de iluminación dentro de los vagones del Sistema Colectivo Metro de acuerdo a las condiciones externas que se desarrollan en el recorrido del convoy ya sea superficial o subterráneo, mediante la aplicación de un microcontrolador HCS 12 en combinación con la tecnología de leds.

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OBJETIVO ESPECÍFICO

Elaborar un controlador PI que permita regular la iluminación dentro de los vagones del transporte colectivo metro utilizando leds de potencia, mediante la programación en C basándose en el microcontrolador MC9S12 GC32CPBE para que funcione como controlador y administre la energía y niveles de iluminación adecuados para los vagones.

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INTRODUCCIÓN

Hoy en día la energía eléctrica es parte fundamental en el desarrollo humano, es casi tan importante como lo es el agua para los seres vivos; la unión del intelecto humano en conjunto con sus avances científicos y tecnológicos han logrado manipular esta energía para resolver los problemas y las necesidades a las que el ser humano se enfrenta día con día.

En México, la competitividad en la industria que hace uso intenso de energía ha sido impactada debido a las fluctuaciones en los precios de los energéticos, especialmente del gas natural y de la electricidad. La manipulación de esta energía ha llevado a desarrollar nuevas maquinas e instrumentos de las cuales muchas de estas funcionan principalmente con electricidad, podemos mencionar desde artículos tan básicos como lo son una aspiradora, secadora, licuadora hasta llegar a otras maquinas mas complejas como lo son elevadores, escaleras eléctricas, horno de arco eléctrico, transformadores de potencia etc.

En las grandes ciudades principalmente podemos observar el cambio y la diferencia que marcan estas tecnologías, pero aun así estas no logran resolver todas las carencias, problemas y deficiencias que existen en las ciudades y principalmente en los medios de transporte, por su lado al ser de uso diario y estar sometido a los tratos mas rudos que puede haber por parte de la población vemos con gran frecuencia que su deterioro físico como eficaz va en decremento a tal grado que por falta de servicio y mantenimiento falla o se vuelve obsoleto, tal es el caso de la iluminación dentro de los vagones del Sistema de transporte Colectivo Metro.

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JUSTIFICACIÓN

Idealmente el ahorro de energía eléctrica con un constante flujo luminoso se efectuaría regulando el nivel de iluminación de las lámparas, lo cual nos lleva a incrementar o decrementar su consumo de corriente (Para el caso de los leds), además la comparación de los flujos de iluminación existentes tendría que ser monitoreado constantemente para así poder discernir entre la cantidad de corriente necesaria que se requiere para igualar al valor de referencia base, además debe de existir una retroalimentación que permita comparar nueva información datos que afecte al sistema con los datos que provocaron el resultado actual.

El desarrollo de los modelos de programación como lógica difusa o PID aplicados a sistemas que atienden situaciones especificas apoyados por el uso de microcontroladores nos proporcionan un monitoreo permanente, exacto y confiable siendo este ultimo el microcontrolador quien será responsable de procesar y controlar los datos correspondientes.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Hoy en día el STCM es uno de los medios de transporte de mayor afluencia en la cd de México debido a la gran demanda que presenta, este medio de transporte presta servicio ininterrumpido los 365 días de año a excepción de situaciones especiales, el parque vehicular se conforma por trenes articulados de 9 y 6 vagones, los cuales funcionan con energía eléctrica.

El recorrido del tren se concibe de manera subterránea y superficial, además cuenta con 12 estaciones y una decimo tercera en construcción.

Hasta el día de hoy el STCM tiene 41 años de servicio [IV], en los cuales ha existido la modernización de su infraestructura, pero en años recientes ha habido un rezago considerablemente notorio, ya que la mayoría de los sistemas utilizados actualmente son obsoletos o se encuentran próximos a desaparecer, en los cuales el aspecto del cuidado de la energía eléctrica ha sido tomado muy poco enserio, y se puede percatar que se desaprovechan grandes cantidades de energía eléctrica en el rubro de la iluminación, debido a que al ser un medio de transporte subterráneo y superficial no siempre necesita la misma intensidad luminosa fuera de los túneles que dentro de los mismos, esto lleva como consecuencia la disminución de vida útil de las luminarias ya que se encuentran encendidas en situaciones y tiempos inútiles, generando consumos y gastos innecesarios al mantener estas encendidas sin importar las condiciones externas del recorrido.

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Figura i Recorrido superficial del convoy con las luces interiores encendidas en la media tarde

El tipo de luminarias utilizadas dentro de los vagones del metro se compone de gabinetes con 1 lámpara fluorescente tipo t8, además lleva un difusor, que permite entre la protección de la propia lámpara, la difusión del flujo luminoso dentro de esta.

Figura ii lámpara fluorescente tipo t8 dentro de su gabinete con su respectivo difusor.

El control que se tiene sobre la iluminación dentro de los vagones del metro, es nulo, ya que siempre están encendidas, ya sea en sus primeras horas de servicio, pasando por la mañana, medio día, tarde hasta el anochecer, lo cual representa en horas de luz, gastos innecesarios de energía eléctrica.

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Figura iii lámparas fluorescentes encendidas a medio día

Finalmente se tiene otro factor que se ha vendió acrecentando en tiempos recientes como lo es el poco mantenimiento de las luminarias, esto repercute indudablemente en la calidad la iluminación que se tiene dentro de los vagones, y como tal las consecuencias no son de gravedad pero como principal sistema de transporte público vemos que su mantenimiento es nulo, al menos en este aspecto.

Es especialmente muy raro encontrar dentro del metro algún convoy que tenga funcional su iluminación al interior, claro a excepción de los vagones de la línea 2 modelo NM-02 y algunos de la línea A modelo FM-95A, los modelos restantes como lo son: NE-92,FM-86, NM-83B, NM-83A, NM-82, MP-82, NC-82, NM-79, NM-73B, NM-73A, MP-68R96 Y MP-68R93 [4] contienen luminarias dañadas, incluso las lámparas de emergencia no funcionan de manera adecuada.

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Figura iv Diferentes facetas de la iluminación dentro de los vagones del sistema colectivo metro, mostrando las falta de mantenimiento que se tiene en los vagones.

De llevar la misma administración de energía eléctrica STCM seguirá generando pérdidas tanto monetarias como energéticas que se pueden evitar diseñando un sistema de iluminación inteligente utilizando luminarias de tipo led manipulado por microcontroladores.

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ALCANCE

Esta propuesta tiene como objetivo diseñar un sistema de control PI enfocado a la manipulación de la intensidad luminosa en lámparas led que en conjunto con la iluminación exterior se obtenga una intensidad luminosa constante, esto se hará atreves del microcontrolador HCS12 de freescale.

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ESTADO DEL ARTE EN LOS SISTEMAS DE ILUMINACION LED Y SISTEMAS DE CONTROL CON MICROCONTROLADORES

Dentro del desarrollo de nuevos sistemas de iluminación en los últimos años se han venido acrecentando las tendencias por buscar dispositivos de iluminación más eficientes con menor costo, mayor tiempo de vida, bajo mantenimiento, alta eficiencia luminosa y sobre todo compactos.

Para conocer más a fondo el desarrollo de estas tecnologías se toman como referencia trabajos previos que han tenido como objetivo el diseño de iluminación en interiores con dispositivos leds, lo cual es mejorado con la aplicación de sistemas inteligentes que se encargaran en cierto momento de manipular a las lámparas leds, estos trabajos de tesis son: “DISEÑO DE ILUMINACION INTELIGENTE PARA UN INMUEBLE DE OFICINAS” elaborada en agosto del 2009, en este tema de tesis podemos encontrar que el autor señala que un diseño con iluminación leds para oficinas es factible no solo por el hecho de que existen los medios y tipos de lámparas que se acoplen a las características del inmueble, sino que también pretende la utilización de un sistema inteligente microprocesado, el cual es un tablero con varios microprocesadores que se encargan de el procesamiento de señales para así de acuerdo a la lógica de programación forma en que este programado arroje la mejor iluminación en relación a las condiciones interiores.

Sin embargo cabe destacar que el sistema para el control propuesto dentro de este trabajo son gabinetes microprocesados que viéndolos desde un punto de vista económico resultan en cierto modo caros y difíciles de adquirir, sin tomar en cuenta que la programación de los mismos ya viene determinada por el fabricante, obviamente el usuario sería capaz de determinar algunas características parciales en el aspecto del control de la iluminación.

Dentro del aspecto que abarca la viabilidad para el cambio de luminarias convencionales pro lámparas leds, se pueden encontrar diversos documentos y trabajos que avalen y hagan ver favorables los leds como futuros sistemas predilectos e iluminación, de esto podemos decir que existe un trabajo de tesis que realiza una comparación de estos dispositivos, el nombre de este trabajo es: “ANALISIS COMPARATIVO DE UN SISTEMA DE ILUMINACION CONVENCIONAL Y UNO UTILIZANDO TECNOLOGIA LEDS, APLICADO A INTERIORES”, este trabajo fue desarrollado en noviembre del 2007, aquí podemos observar un gran análisis por parte de los autores, ya que estos dedicaron completamente su trabajo a comparar las luminarias leds con los dispositivos de iluminación convenciones y restantes, ellos encontraron que dentro de las características técnicas de iluminación de los leds se puede encontrar que al ser semiconductores dopados de impuresas y encapsulados en una resina epoxica tienen la característica de ser dispositivos de iluminación puntual, esto significa que su flujo luminoso es dirigido ni mas ni menos que por medio de sus propias características de construcción, esto significa que tienen cierta desventaja sobre otros dispositivitos de iluminación que su flujo luminoso no es dirigido sino que difuso, además encontraron que se necesitan una cantidad considerable de leds para poder igualar el flujo luminoso de algún otro dispositivo de iluminación.

Para el consumo energético se hizo especial énfasis en que los resultados se comparan a partir del consumo que tiene cada dispositivo de iluminación, se encontró que mientras que los dispositivos convencionales de iluminación consumen grandes cantidades de energía , los leds utilizando la misma cantidad de energía son capaces de alimentar una gran cantidad de los mismos teniendo como consecuencia generar un flujo luminoso mucho mayor con respecto al del dispositivo comparado, esto

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va en propia relación al tipo de led que se esté utilizando ya que no sería equivalente lo mismo al comprar un led estándar con un led de potencia.

El análisis de la durabilidad que arrojo el estudio en esta tesis se pudo notar que en promedio la vida útil de una lámpara convencional por mínimo es de aproximadamente 10 000 horas hasta las 30 000 horas y después puede seguir operando o simplemente fallar debido a diversos factores, entre ellos destaca el mantenimiento, por otra parte una luminaria led tuvo un análisis sorprendente ya que se pudo notar que su vida útil en promedio es de al menos 100 000 horas, esto significa que después de este tiempo los leds no dejaran de funcionar si no que comenzara un proceso en el cual poco a poco dejaran de emitir el flujo luminoso normal hasta que finalmente sea nulo o muy bajo, este proceso insisto no es inmediato sino que le toma un tiempo considerable.

Dentro del estudio de costos que lleva este trabajo es posible notar que si bien la inversión inicial es relativamente baja para los dispositivos convencionales es un poco alta para una lámpara led, ya al ser aun tecnologías en desarrollo, los medios por el cual ser fabrican no son los más económicos y además no son de manufactura nacional, sino que todo es de importación lo que incrementa en cierta cantidad su precio final.

El estudio de estos dispositivos no solo se limitan se sustituir a las luminarias actuales de mayor popularidad sino que también buscan encontrar un modo de control que ofrezca una estabilidad de eficiente y discreta, es por esta razón que el desarrollo de sistemas de control inteligentes se han ido estudiando y desarrollando a medida que van ganando popularidad los dispositivos de iluminación led.

Existen diversos estudios realizados que abarcan el análisis de comparación de sistemas de iluminación convencionales contra sistemas de iluminación led, estos hacen principal énfasis en enmarcar que dentro de las características más destacables de los leds con respecto a luminarias convencionales se encuentra la durabilidad de los mismos, ya que al ser dispositivos que están sometidos a un control de corriente constante y están aislados de disturbios que existen dentro de la señal de alimentación no tienden a fallar por disturbios pequeños en la red, sin embargo esto se logra por medio de una fuente regulada que preferentemente es una fuente conmutada.

Los dispositivos de control como lo son los microcontroladores son empleados tanto en elaboración de sistemas de control de baja y alta potencia, por mencionar solo una de tantas aplicaciones, algunos trabajos de tesis utilizan microcontroladores en aplicaciones de control de iluminación led, pero estos microcrotoladores son en cierto modo caros y no se desarrollan en el país, actualmente son un poco escasos los temas de investigación que propongan desarrollar en un microcontrolador un algoritmo de control que se enfoque en la manipulación y control de dispositivos de iluminación led, aunque solo existen algunos temas de investigación que sirven de tutoriales y manuales para programar el microcontrolador HCS12.

Con esto podemos concluir que existen trabajos de investigación que se han venido desarrollando para el estudio de leds como dispositivos de iluminación así como el uso de microcontroladores que en conjunto pueden conformar un sistema de iluminación y control eficiente dadas las características que contienen cada uno de los mismos.

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GLOSARIO DE TERMINOS

STCM: Sistema de Transporte Colectivo Metro Flujo luminoso: Es la medida de la potencia luminosa percibida sus unidades son los lúmenes (lm) Eeprom: (Erasable programmable ROM) Memoria de solo lectura regrabable Rom: (Read Only Memory) Memoria de solo lectura Ram: (Random Access Memory) Memoria de lectura y escritura PWM: (Pulse Width Modulator) Modulacion por ancho de pulso ADC: (Analogic to Digital Converter) Convertidor Analógico Digital Epoxico: Resina utilizada para el recubrimiento de los semiconductores en un led Bucle: refiriéndose a un ciclo Set Point: Punto de referencia ATD: (Analogic to Digital) Analogico a digital Timer: Temporizador Counter: Contador Simple Buffer Amplificer: Refiriendoce a que los datos solo se almacenan una vez Multiplexor: A que las salidas son dirigidas atreves de un solo canal Switch mode: Modo Swicheado, utilizado en convertidores dc-dc Buck: Convertidor redactor dc-dc Boost: convertidor elevador dc-dc Buck-boost: Convertidor dc-dc que funciona como elevador o reductor Step up: Refiriendoce a un convertidor dc-dc elevador Dimming: Caracteristica en un driver que permite en control y atenuacion de intensidad luminosa PIC: Controlador de Interfaz Periférico AVR: Dispositivo semiconductor designado como microcontrolador DSP: Procesador digital de señales

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CAPITULO 1 GENERALIDADES

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1.1 Generalidades de los microcontroladores

Los microcontroladores son computadores digitales integrados en un chip que cuentan con un microprocesador o unidad de procesamiento central (CPU), una memoria para almacenar el programa, una memoria para almacenar datos y puertos de entrada salida. A diferencia de los microprocesadores de propósito general, como los que se usan en los computadores PC, los microcontroladores son unidades autosuficientes y más económicas. El funcionamiento de los microcontroladores está determinado por el programa almacenado en su memoria. Este puede escribirse en distintos leguajes de programación.

Además, la mayoría de los microcontroladores actuales pueden reprogramarse repetidas veces. Por las características mencionadas y su alta flexibilidad, los microcontroladores son ampliamente utilizados como el cerebro de una gran variedad de sistemas embebidos que controlan maquinas, componentes de sistemas complejos, como aplicaciones industriales de automatización y robótica, domótica, equipos médicos, sistemas aeroespaciales, e incluso dispositivos de la vida diaria como automóviles, hornos de microondas, teléfonos y televisores. Frecuentemente se emplea la notación µC o las siglas MCU (por microcontroller unit) para referirse a los microcontroladores [10]. No es de extrañarse que se utilicen abreviaturas como µC o MCU para referirse a los microcontroladores en adelante.

Un microcontrolador es un circuito integrado que incorpora una unidad central de proceso (CPU) y una serie de recursos internos [15]. La CPU permite que el microcontrolador pueda ejecutar instrucciones almacenadas en una memoria. Los recursos internos son memoria RAM, memoria ROM, memoria EEPROM, puerto serie, puertos de entrada/salida, temporizadores, comparadores, capturadores, etc. Se puede decir que es una evolución del microprocesador, al añadirle a este último las funciones que antes era necesario situar externamente con otros circuitos. El ejemplo típico esta en los puertos de entrada/salida y en la memoria RAM, en los sistemas con microprocesadores es necesario desarrollar una lógica de control y unos circuitos para implementar las funciones anteriores, con un microcontrolador no hace falta porque lo lleva todo incorporado, además en el caso de tener que ampliar el sistema ya ofrece recursos que facilitan esto. En resumen, un microcontrolador es un circuito integrado independiente, que no necesita memoria ni puertos externos pues los lleva en su interior, que facilita la tarea de diseño y reduce el espacio, traduciéndose todo a una aplicación final más económica y fiable. Si bien una de las compañías dedicadas a la manofactura de este y otros dispositivos es la compañía Freescale Semiconductor, establecida a partir de la división de productos semiconductores de Motorola en 2004, Freescale se enfoca en la automoción e incrustación y comunicación en mercados para sus productos semiconductores. Freescale esta en el top 20 de vendedores de semiconductores en el mundo [10].

El 68HC12 (6812 o HCS12 para abreviar) es un micro controlador en la familia de 16 bits de freescale Semiconductor. Originalmente introducido en 1994, la arquitectura previa al 6812 es el 68HC11. Algoritmos desarrollados para el HC11 son usualmente compatibles con el HC12, el cual tiene algunas

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funciones extra. Los primeros 68HC12 tenían una velocidad máxima de bus de 8MHz y un tamaño de memoria flash arriba de los 128kbytes.

Tanto en el 68HC11 como en el 68HC12 se tienen 2 acumuladores de 8 bits; A y B (algunas veces referidos como un solo registro D de 16 bits), también 2 registros de 16 bits X y Y, un contador de 16 bits, un puntero de 16 bits y 8 condiciones en el código de registro [11].

Motorola lanzo un nuevo HCS12 (Tambien conocido como MC9S12) línea de producto en el 2000. La velocidad del bus fue incrementada sobre los 25MHz y la capacidad de memoria flash sobre los 512kbytes. El MC9S12NE64 fue introducido por freescale en septiembre del 2004, sus características son CPU HCS12 de 25MHz, 64Kbytes de flash eeprom, 8Kbytes de ram y un controlador Ethernet 10\100 Mbits\s.

Una adicion posterior en el 2004 fue el HCS12X, brindando aun más características, incluyendo el XGATE DMA co-procesador. HCS12X es completamente compatible con el HCS12. La familia del S12X utilizo los últimos procesos tecnológicos de su época. Cuenta con una velocidad mayor (40MHz), mejor funcionalidad, menor consumo y costo, un mayor rendimiento con el nuevo chip XGATE. El XGATE co-procesador periférico permite a algunas tareas que sean descargadas desde el CPU al igual que algunas instrucciones que permiten mejorar el rendimiento.

Freescale anuncio el MC9S12XPE100 en mayo del 2006 para extender la familia del S12X a 50 MHz en la velocidad del bus, y agregar una unidad de protección de memoria, (basada en segmentación) y un esquema de hardware que provea una emulación de la eeprom.

1.2 Generalidades de la iluminación

En espacios públicos y privados es indispensable la iluminación para poder realizar cualquier actividad dentro de estos, si bien hay una gran gama y variedad de luminarias para alumbrar ciertos recintos y bajo ciertas condiciones, enfrentamos una realidad la cual encierra aspectos importantes como sus costos, su eficiencia, durabilidad, versatilidad e innovación. Las lámparas eléctricas son la fuente principal de iluminación creada de forma artificial utilizadas para el uso común, si bien convierten la energía eléctrica en luz existen varios tipos de los cuales los más comunes son: Lámparas incandescentes Lámparas fluorescentes Lámparas de vapor de mercurio Lámparas de aditivos metálicos Lámparas de vapor de sodio alta/baja presión Lámparas led Lámparas incandescentes contiene un filamento que se calienta por el paso de la corriente eléctrica a través de él. El filamento está encerrado en un bulbo de vidrio que tiene una base adecuada para conectar la lámpara a un receptáculo eléctrico (socket).

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Los tamaños y formas de los bulbos se designan por un código literal seguido de uno numérico; la letra indica la forma, y el número, el diámetro del tubo. Las lámparas ahorradoras consumen cuatro veces menos energía y pueden durar hasta diez veces más que un foco común. Además, la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar un foco incandescente emite, en promedio, cinco veces más CO2 que la empleada para una lámpara ahorradora. Estas son las principales razones por las que la sustitución generalizada de focos incandescentes es una oportunidad de mitigación del calentamiento global del planeta.

Las lámparas de vapor de mercurio constan de tubos de cuarzo llenados con argón y Mercurio, rodeados por una camisa de vidrio llena de nitrógeno. Las lámparas de aditivos metálicos usan pequeñas cantidades de yoduros de sodio, talio, escandio, disprosio e indio, además de la mezcla usual de argón y mercurio. Tanto como su economicidad como su color son excelentes. Las lámparas de vapor de mercurio a baja presión usan sodio metálico en tubos translúcidos de óxido de aluminio. Se emplean en iluminación de carreteras, puentes, autopistas, en determinados trabajos industriales como imprentas, talleres, almacenes. Las lámparas de vapor de mercurio de alta presión producen una gran cantidad de luz por descarga en vapor de sodio a baja presión. Dada su deficiencia en la reproducción del color, generalmente solo se emplea cuando nos sea necesaria la reproducción cromática.

Las lámparas led son relativamente nuevas en el mercado ya que esta tecnología aun esta en desarrollo, la intensidad luminosa varía en relación al tipo de led y la cantidad de los mismos, dentro de sus ventajas el poco consumo resalta sobre las demás, su alta durabilidad, poco mantenimiento y la gran variedad de colores que ofrecen.

1.3 Generalidades de los tipos de controladores

El control automático asienta sus bases esencialmente en el concepto de realimentación. Este concepto se concreta en una estructura de control en la cual el controlador se puede entender como un operador, que en función de la salida deseada de la planta, y la salida real medida, proporciona la acción de control a aplicar sobre el sistema. Si bien existen muchos tipos de control basados en este principio y los podemos clasificar en clásicos y en los inteligentes como se describen a continuación. 1.3.1. Controladores clásicos [18] El control proporcional, derivativo e integral (PID), es el que mayor implantación tiene en la industria de procesos. Dicho control consiste esencialmente en obtener la acción de control como la suma de tres términos:

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Proporcional – Derivativo – Integral Se pueden obtener variaciones a este esquema consistentes en la no introducción de los términos derivativo e integral; en dicho caso el control coincide con el llamado control proporcional. Si solamente se prescinde de la acción integral, el control se denomina control proporcional derivativo (PD). Si, por el contrario, el único término que desaparece es el derivativo, el control se denomina proporcional integral (PI). Según una estimación dada por Amstrom [18]: El 95% de los bucles de control en la industria son del tipo PID, y fundamentalmente PI. La amplia implantación del control PID en la industria, se debe fundamentalmente a los siguientes factores:

- La actuación en función de la señal de error proporciona una estructura de realimentación negativa, que como es conocido, permite obtener en muchas ocasiones un comportamiento satisfactorio del sistema a pesar de la existencia de perturbaciones e incertidumbres sobre el modelo del sistema.

- El término derivativo proporciona cierta anticipación sobre la respuesta al sistema. - El término integral permite eliminar el error en régimen permanente. - El control PID obtiene resultados satisfactorios para una amplia gama de procesos. - Existen sencillas reglas heurísticas que permiten obtener los parámetros del controlador PID.

Dichas reglas hacen posible el ajuste del controlador, sin presuponer un gran conocimiento en teoría de control automático por parte del operador.

- En estructuras de control más sofisticadas, donde exista cierta organización jerárquica, el controlador PID puede utilizase a un nivel bajo.

- El controlador PID se puede adquirir como un modulo compacto, donde los distintos parámetros del controlador se pueden ajustar manualmente. Actualmente muchos de los PIDs industriales proporcionan ciertas opciones de auto sintonía.

1.3.1.2 Controlador P En ciertos tipos de procesos es posible trabajar con una ganancia elevada sin tener ningún problema de estabilidad en el controlador. Muchos procesos que poseen una constante de tiempo dominante o son integradores puros caen en esta categoría. Una alta ganancia en un controlador P significa que el error en estado estacionario será pequeño y no se necesitara incluir la acción integral. Un ejemplo característico en el que no es muy relevante el error en régimen permanente es el bucle interno de un controlador en cascada; el que la variable que se ha tomado como secundaria no alcance su valor no debe preocupar excesivamente. 1.3.1.2 Controlador PD En líneas generales, el control PD puede ser apropiado cuando el proceso a controlar incorpore ya un integrador. Por ejemplo, un proceso térmico con un buen aislamiento opera de forma análoga a un integrador. Casi toda la energía que se le suministra se emplea en elevar la temperatura del horno ya que las pérdidas son despreciables. Con esta clase de procesos es posible trabajar con ganancias

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elevadas en el controlador sin que sea necesario introducir la acción integral. La acción derivada es sensible al ruido ya que a altas frecuencias tiene una ganancia relativamente elevada, por lo tanto, en presencia de altos niveles de ruido se debe limitar dicha ganancia, o prescindir de la acción derivativa. Asimismo, en procesos con grandes tiempos muertos la acción anticipativa del término derivativo deja de ser efectiva ya que la aproximación lineal .

푒(푡 + 푇푑) ≈ 푒(푡) + 푇푑푑푒(푡)푑푡

(1)

Tan solo tiene validez para pequeños valores de Td. Debido a los tiempos muertos hay un retardo antes de que los efectos de cualquier acción de control se puedan detectar sobre la variable de proceso. Es, por lo tanto, considerablemente mejor con esta clase de procesos intentar predecir su acción futura analizando la señal de control en combinación con un modelo del proceso. 1.3.1.4 Controlador PI Es la estructura más usual del controlador. La introducción de la acción integral es la forma más simple de eliminar el error en régimen permanente. Otro caso en el que es común utilizar la estructura PI es cuando el desfase que introduce el proceso es moderado (procesos con una constante de tiempo dominante o incluso integradores puros). La acción derivativa más que una mejora en esta situación es un problema ya que amplifica el ruido existente. También se recomienda la acción PI cuando hay retardos en el proceso, ya que como se ha visto en el punto anterior, la acción derivativa no resulta apropiada en este tipo de sistemas. Un tercer caso en el que se deberá desconectar la acción derivativa es cuando el proceso está contaminado con niveles de ruido elevados. Se deberá filtrar el ruido existente, pero en algunas ocasiones esto no es suficiente. 1.3.1.5 Controlador PID La acción derivativa suele mejorar el comportamiento del controlador, ya que permite aumentar las acciones proporcional e integral. Se emplea para mejorar el comportamiento de procesos que no poseen grandes retardos pero que si presentan grandes desfases. Este es el caso típico de procesos con múltiples constantes de tiempo. 1.3.2 Controladores inteligentes 1.3.2.1 Lógica difusa La lógica difusa es una rama de la inteligencia artificial que se funda en el concepto "Todo es cuestión de grado", lo cual permite manejar información vaga o de difícil especificación si quisiéramos hacer cambiar con esta información el funcionamiento o el estado de un sistema específico [X]. Es entonces posible con la lógica difusa gobernar un sistema por medio de reglas de 'sentido común' las cuales se refieren a cantidades indefinidas. Las reglas involucradas en un sistema difuso, pueden ser aprendidas con sistemas adaptativos que aprenden al ' observar ' como operan las personas los dispositivos reales, o estas reglas pueden también ser formuladas por un experto humano. En general la lógica difusa se aplica tanto a sistemas de control como para modelar cualquier sistema continuo de ingeniería, física, biología o economía.

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1.3.2.2 Redes neuronales Debido a su constitución y a sus fundamentos, las redes neuronales artificiales presentan un gran número de características semejantes a las del cerebro. Por ejemplo, son capaces de aprender de la experiencia, de generalizar de casos anteriores a nuevos casos, de abstraer características esenciales a partir de entradas que representan información irrelevante, etc. Esto hace que ofrezcan numerosas ventajas y que este tipo de tecnología se esté aplicando en múltiples áreas [32] [33]. Existen numerosas formas de definir a las redes neuronales; desde las definiciones cortas y genéricas hasta las que intentan explicar más detalladamente qué son las redes neuronales. Por ejemplo: 1) Una nueva forma de computación, inspirada en modelos biológicos. 2) Un modelo matemático compuesto por un gran número de elementos procesales organizados en niveles. 3) Un sistema de computación compuesto por un gran número de elementos simples, elementos de procesos muy interconectados, los cuales procesan información por medio de su estado dinámico como respuesta a entradas externas. 1.4.4 Elección del tipo de controlador Es relativamente frecuente el diseño de un controlador PID teniendo en cuenta exclusivamente el seguimiento de la referencia. En el diseño se debe considerar no solo el seguimiento de referencia sino también el rechazo de perturbaciones y ruidos en la medida. El controlador PID básico combina las acciones proporcional, derivativa e integral mediante el siguiente algoritmo de control: 푢(푡) = 퐾푐 푒(푡) + ∫ 푒(푇)푑푇 + 푇푑 ( ) = 푃 + 퐼 + 퐷(2) [18]

Como es bien sabido, el término proporcional contribuye a la reducción del error en régimen permanente. Ahora bien, la ganancia requerida para que dicho error se reduzca hasta los niveles deseados con la aplicación de un control proporcional puede ser incompatible con las especificaciones de sobre oscilación y estabilidad relativa del sistema. La acción integral tiene un efecto cualitativo sobre el error en régimen permanente, ya que aumenta el tipo del sistema y garantiza la anulación de este cuando la referencia es de tipo escalón. El término derivativo permite una cierta predicción del futuro error y por tanto juega un papel anticipativo. Sin embargo la anticipación de la situación que se viene a presentar no siempre puede ser predicha por la acción derivativa, ya que para la situación en donde va a estar implementado el control contiene una cierta variación del valor de referencia difícil de anticipar, lo que significa que si la señal de control va siendo sobre amortiguada debido a la predicción de el control derivativo cuando se pase de una

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situación cercana al valor de referencia a una muy lejana debido al cambio repentino de la condición censada es muy probable que se presenten sobre oscilaciones muy severas, que obviamente tendrán cambios muy abruptos para los cuales el sistema no estaba preparado. De esta manera y considerando las oscilaciones que se pueden presentar debido a los cambios para los cuales no estaba preparado el sistema de control se continua considerando la señal de error actual y una condición de estado anterior, lo que ayuda al sistema de control a seguir con una cierta lógica de operación, ya que las repuesta de control solo estará dada por dichos parámetros y no por condiciones supuestamente probables, es por esta razón que el control ideal y más adecuado es del tipo Proporcional e integral (PI). 1.5 Descripción del proyecto

Las consideraciones anteriores sirven como precursor para poder describir el sistema que se tiene planeado desarrollar, este desarrollo comprende de 5 etapas las cuales se muestran en la figura 1.1 formando un ciclo cerrado:

Figura 1.1 diagrama a bloques del sistema cerrado para la implementación del proyecto Etapa 1: Está conformada por un sensor (fotorresistencia) el cual al incidir un haz luminoso sobre esta tendrá un cambio en la resistencia interna a la cual atiende su diseño, si bien la magnitud que la fotorresistencia obtenga esta en relación directa al tiempo de incidencia y a la intensidad máxima que incide sobre el sensor principalmente.

MEDICION DE LA ILUMINACION

INTERNA Y EXTERNA POR MEDIO SENSOR

INTERPRETACION Y CONVERSION DE

DATOS ADQUIRIDOS POR MEDIO DE UN

ADC

CONTROL DE DATOS, IMPLEMENTACION

DEL CONTROL PI

GENERACION DE UN PWM EN BASE A LOS DATOS ARROJADOS POR EL CONTROL PI

PARA EL SISTEMA DE ILUMINACION

SISTEMA DE ILUMINACION

CONTRADO POR MEDIO DE PWM

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Etapa 2: La magnitud de esta variación será ingresada al microcontrolador por medio de un pin que se denomino como entrada y cuya función es convertir esta señal en un dato hexadecimal que obviamente tendrá variaciones con respecto al tiempo y la intensidad luminosa que incida sobre el sensor, es importante mencionar que el tiempo con el cual se realiza una nueva conversión va en relación al control PI que en conjunto arrojaran un resultado diferente por cada conversión en el tiempo de muestreo indicado. Etapa 3: Esta etapa es en donde se aplica de lleno el control PI ya que el dato obtenido por medio de la conversión se compara con un “punto de referencia”, este dato es un valor al cual se debe acercar o igualar la iluminación requerida, el control PI incluye como en la etapa anterior un tiempo de muestreo que permita la conversión e interpretación de los datos para que se procesen y se obtenga el nuevo dato que se envía a la etapa 4 para su uso, sin embargo aquí mismo se contemplan los resultados obtenidos del error anterior y el dato corregido que se envió previo al nuevo sondeo, de esta forma siempre se toman en cuenta las condiciones anteriores para el procesamiento de nuevos datos. Etapa 4 Esta etapa se enfoca principalmente al control del PWM, de acuerdo al dato que envíe el control PI el modulo del PWM solo se encargara de generar la señal cuadrada correspondiente para enviarla al driver que controla a los leds Etapa 5 Esta etapa es una etapa de potencia ya que con el dato adquirido del PWM el driver se encargara de brindar una nueva intensidad luminosa por medio del incremento o decremento de la corriente que circula por la lámpara de leds. De esta manera se vuelve a repetir el ciclo volviendo el sensor a adquirir un nuevo dato con la intensidad luminosa actual. 1.6 Normatividad Si bien la norma vigente de iluminación que se utiliza para la diferentes áreas de trabajo es la Norma Oficial Mexicana NOM-025-STPS-2008, hace referencia a los porcentajes y niveles de iluminación que son óptimos, para los distintos tipos de áreas, los propios niveles de iluminación están sujetos a los parámetros del diseñador, pero no debe de perderse de vista la norma en vigencia. Dentro del desarrollo de un sistema de control de iluminación la normatividad que se llegue a aplicar, el sistema tendrá la capacidad de acoplarse al nivel de iluminación deseado, debido a que el valor conocido como “set point” tiene la característica de adquirir cualquier valor que se le asigne traducido de la intensidad luminosa la cual se desee proporcionar.

Mientras más elevado sea el valor del “set point” mayor será la intensidad luminosa proporcionada por la lámpara, de forma inversa un valor menor asignado en el “set point” proporcionara una intensidad luminosa menor.

Existen otras normas que ayudan al diseño, certificación y afines que se utilizan en sistemas de iluminación led, como lo son las siguientes:

- UNE-EN 60598-2-3 (Luminarias led) - UNE-EN 60598-2-5 (Proyectores led) - UNE-EN 62031 (Leds)

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CAPITULO 2 CARACTERISTICAS DE LA ILUMINACION LED

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2.1 Principio de funcionamiento de los leds 2.2. Descripción de los Leds Los leds son dispositivos en estado sólido que generan luz de una manera radicalmente diferente a otras fuentes de luz. En los LEDs, una baja corriente y un bajo voltaje de corriente continua (CC) circula a través de dos capas de material semiconductor. Esto resulta en la generación de fotones de luz de un reducido rango de frecuencias. El color de la luz depende del material semiconductor utilizado y del tipo de dopante (impurezas) que se le agregue [16]. El semiconductor se aloja en una caja epoxi que además funciona como un sistema óptico (lente), que enfoca la luz producida.

Figura 2.1 Descripción de las partes de un led estándar de 5 mm Para uso con la red de suministro eléctrico, se necesitan controladores electrónicos y reguladores de tensión. El nivel de innovación tecnológica y de ingeniería involucrada en los Leds modernos es mucho mayor que en las fuentes convencionales de luz.

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Tecnología Los diodos emisores de luz (LEDs) existen desde hace varias décadas, aunque hasta no hace mucho, su uso estaba limitado a usos específicos. Antes de 1990, sólo estaban disponibles los LEDs de color rojo, verde y amarillo, esto limitaba su utilidad. La invención de los LEDs azules y ultravioletas (UV) y el incremento del brillo del LED permitieron recientemente la generación de luz blanca. Desde 1990 se aceleró el desarrollo y comercialización de semiconductores emisores de luz. Desde la invención del LED rojo en la década del 60, la potencia de la luz de este dispositivo se multiplicó por 20 cada 10 años, al mismo tiempo la disminución del costo de la luz LED (por lumen) fue de 10 veces. Figura 2.2 Los primeros leds fueron de color rojo debido al epoxico que los protege

En el caso de los nuevos leds blancos, la potencia del lumen (por dispositivo) se multiplicó por 6 entre 2002 y fines de 2006 mientras que el costo por lumen disminuyó 7 veces su valor. Entre 1995 y 2005 el mercado del LED blanco de alto brillo creció en un promedio de 42% anual (Steele 2007) [30]. Sin embargo, la tecnología aún está lejos de madurar con una penetración en el mercado limitada sólo para usos específicos. Los LEDs generan una limitada amplitud de onda de luz, produciendo así directamente los colores deseados y consiguiendo eficiencias superiores que las tecnologías alternativas que dependen principalmente de luz blanca filtrada. La luz no puede ser emitida directamente por un LED, debe ser generada por una conversión de fósforo de luz azul o UV, a partir de la mezcla de luz monocromática o por una combinación de las dos posibilidades. El uso de LEDs individuales que posean fósforos es la tecnología más generalizada.

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Figura 2.3 Diferencia entre los epoxicos de las primeras décadas de fabricación de leds a las actuales con epoxicos traslucidos 2.3. Producción Al ser semiconductores modernos, los Leds se producen en instalaciones similares a las plantas de la industria electrónica y no a fábricas tradicionales de luminarias. La fabricación se basa en procesos de producción y herramientas desarrolladas por la industria electrónica (microchips), la producción se lleva a cabo en ambientes limpios. La producción del semiconductor depende de materia prima ultra pura. Además, los Leds blancos varían mucho en color. A pesar de muchas investigaciones, los defectos son muy comunes debido a interacciones básicas entre las capas que lo componen [27] resultando grandes cantidades de variaciones naturales dentro del producto terminado. Para asegurar la consistencia del producto es necesario el “envasado”. Luego de la producción, los dispositivos se prueban y agrupan según la amplitud de onda dominante en la potencia de la luz. Este proceso demanda tiempo y genera muchos rechazos, esto se suma al costo de producción, los potenciales problemas ambientales y la reducción de rendimiento. Otra similitud con otras partes de la industria de los semiconductores, es que la producción de LED depende del uso de gases tóxicos en el proceso de producción. La tecnología “metal organic vapor-phase epitaxy (MOVPE)” [30] que se utiliza para realizar las capas del cristal semiconductor depende de gases como la arsina, fosfina y amoníaco como materia prima y utiliza gas hidrógeno, gas explosivo e inflamable. La seguridad y la prevención de la contaminación dependen de las tecnologías avanzadas de reducción de emisiones y los sistemas de control (Shenia-Khatkhate et al 2004) [29]. Los Leds necesitan drivers (controladores electrónicos y conversores/reguladores de energía) [16]. Como estos dispositivos son integrales al funcionamiento de la luz LED, también debe considerarse la huella ecológica de su producción. Mientras que es probable que estos componentes sean producidos

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de forma masiva y por lo tanto se beneficien de las eficiencias de la producción a gran escala, son productos electrónicos y necesariamente complejos y requieren una alta demanda energética. 2.4. Composición química Los LEDs se producen a partir de una variedad de químicos semiconductores. Los diodos consisten de dos capas de cristal, cada una formada por dos de tres elementos. Las combinaciones más comunes incluyen InGaAlP (Indio Galio Aluminio Fosfuro), AlGaAs (Arseniuro de galio y aluminio), AlGaP (Fosfuro de aluminio y galio), GaN (Nitruro de Indio y Galio), con una variedad de otros combinaciones que se utilizan para aplicaciones especiales. Estas capas crecen principalmente en un zafiro de un solo cristal o en un sustrato de carburo de silicio. Las investigaciones han progresado con la finalidad de superar los desafíos técnicos asociados con el uso de otros materiales de sustrato de bajo costo (Semiconductor International 2007) [30]. Una variedad de otras capas, dopantes y materiales (como cables muy finos) normalmente se incluyen en la construcción final del diodo. Para obtener luz blanca de un único LED, se usa un fósforo combinado con un LED azul o UV. Hay una gran variedad de fósforos disponibles. Comúnmente, estos son compuestos de tierras raras o metales de transición. El fósforo generalmente está incrustado en la cubierta epoxy que encapsula al semiconductor, protegiéndola y actuando como un sistema primario de óptica (lente) para la emisión de luz. Los LEDs no contienen mercurio. Mientras que una gran variedad de elementos y compuestos se utilizan en la construcción del LED, la cubierta dura externa y la naturaleza de estado solido del dispositivo deberían proteger al usuario (aunque no a los fabricantes y recicladores) de cualquier tipo de amenaza toxicológica durante su uso. Como con cualquier otra faceta de la tecnología de los semiconductores, el proceso que involucra a la generación de luz por semiconductor ocurre a escala atómica (cuántica). Por ello la investigación a nano-escala es esencial para mejorar estos dispositivos. En algunos casos esto sólo involucra la consideración de características estructurales a nano-escala. En otros, sin embargo, se conciben productos discretos a nano escala (Allsopp et al 2007 & Jia 2007) [26]. 2.5. Eficiencia energética Según las predicciones de la industria (publicadas a principios de 2007), las luminarias comerciales LED de blanco frío deberían alcanzar una eficiencia comparable a la de una lámpara fluorescente compacta (LFC) entre 2010 y 2012 y mucho mayor a la de una lámpara fluorescente lineal (LFL) para 2015 (U.S. Departamento de Energía 2007). Sin embargo, estas predicciones parecen ser conservadoras comparadas con otras fuentes. Esto no significa que sea una materia incierta, ya que en cualquier industria de rápido desarrollo existen muchas predicciones diferentes (Philips 2007, LEDs Magazine 2007a). Sin embargo, una predicción muy citada es que se puede esperar que los LEDs blancos alcancen finalmente eficacias de al menos 150 lm/W (lumens/watt). Esto es casi el doble de las LFC, una vez y media las LFL y casi diez veces las lamparitas incandescentes. Esta cifra la manejan varias fuentes independientes y es mucho menor a la que en teoría puede alcanzar el LED (Schubert y Kim 2005) [27].

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La eficiencia energética total de un sistema de iluminación puede ser juzgada en términos de energía lumínica útil entregada por unidad de energía eléctrica consumida. La eficiencia de un sistema LED depende de la provisión de energía y electrónica (colectivamente, el “driver” [16]), el diodo emisor de luz y el sistema óptico. Medir la eficiencia, comparar productos y evaluar las últimas investigaciones puede ser un desafío. La velocidad del progreso tecnológico en iluminación de LED blancos derivó en productos que llegaron al mercado antes que se finalicen los estándares universalmente aceptados para medir las eficiencias. Algunas iniciativas, como el programa del Departamento de Energía de los Estados Unidos de Evaluación e Informe de Productos LED Comercialmente Disponibles (CALiPER, por su acrónimo en inglés) ayudan a tratar este asunto. Sin duda, a medida que madure la industria, este problema se resolverá rápidamente. Aunque en este momento, mientras que es claro que hay un rápido progreso en la investigación y desarrollo, es difícil medir de manera precisa qué tan rápido está ocurriendo. 2.6. Vida útil Los Leds fallan de una forma diferente a las otras fuentes de luz. En lugar de detenerse de manera simple y abrupta, los Leds reducen su intensidad de manera gradual en el tiempo. La llamada “depreciación de lumen” resultante en una reducción del 30 o 50% en potencia de luz, es considerada comúnmente como una falla. Aunque tales diferencias parecen grandes, el ojo humano no responde linealmente a los cambios en la intensidad de la luz, entonces son aceptables en términos de rendimiento. Se espera que la vida de los dispositivos LED alcance las 50.000 horas [30]. En este período de vida y en períodos superiores, las fallas en la provisión de energía pueden ser un factor limitante y no la falla del diodo. Mientras que debería ser posible que en productos especializados supere las 50.000 horas aunque esto podría ser a expensas de ciertos criterios de rendimiento. Aún existen algunas dudas acerca del proceso utilizado para evaluar la vida útil de los productos, dado que 50.000 horas equivalen a 5.7 años, mucho más que el tiempo que ha transcurrido desde que se han desarrollado algunos de los productos disponibles actualmente. 2.7. Clasificación de los leds Debido a las diversas características de los leds estos podrían entrar dentro de muchas características, esto se debe principalmente a que son muy variados en cuanto a sus características físicas, a su consumo de energía, diseñados para interiores o exteriores, su presentación, su color, etc. Debido a esto cada fabricante tiende a clasificarlos de muchas maneras, pero entre las más comunes son las siguientes: 2.7.1. Led estándar Este tipo de led obtiene su nombre debido a las características que presenta, tales como son los diversos modelos en los cuales se les puede encontrar, su principal característica es que son de 3mm y 5 mm respectivamente en cualquiera de las presentaciones en que se les encuentre, además manejan una gama de colores como lo son: rojo, verde, amarillo, azul, blanco principalmente pero también se

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les puede encontrar en otros colores que no son tan comunes, como lo son rosa, violeta, guinda, entre otros. El consumo de los leds estándar es comúnmente de 20 mA para una intensidad máxima, pero si el valor de la corriente que circula atreves del mismo excede los 20 mA el led mostrara una mayor intensidad luminosa, pero su vida y degradación se verán reducidas y aumentadas respectivamente, es por esta razón que los leds de tipo estándar se recomienda hacerlos trabajar con una corriente de 20 mA como máximo.

Figura 2.4 Leds del tipo estándar en sus diferentes presentaciones de 3mm y 5mm respectivamente Una característica los leds estándar es la gamma en cuanto a su presentación se refieren, ya que al tener distintos tipos de encapsulados, las características luminotécnicas varían debido a lo antes mencionado. 2.7.2. Leds de superficie Las características eléctricas de estos leds no tienen mucha variación en cuanto a los leds estándar, ya que sufren una degradación mayor al ser alimentados con mas de 20 mA, estos leds tienen una gama de colores básica que comprenden el rojo, amarillo, verde, azul y blanco. También existen los llamados RGB, estos leds pueden emitir 3 tipos de colores ya sea individualmente o en conjunto formando el color blanco, principalmente la aplicación de estos leds es en espacios reducidos en donde el tamaño los hace muy versátiles y sumamente ventajosos. Al ser leds de superficie también tienen una gamma de presentación, esto se debe principalmente a la característica de uso y de color que se tenga en mente. Principalmente se utilizan en la fabricación de tiras leds, las cuales constan de una cinta conductora flexible que tiene a su largo una gran cantidad de leds, estos se agrupan en números de 3 con una resistencia limitadora entre ellos para que puedan funcionar con 12 volts de cd.

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Otra aplicación de los mismos en la manufacturación de focos leds, los cuales se asemejan físicamente a una mazorca, debido a que esta totalmente cubierta por leds de superficie. Estos ejemplos son solo algunos de los innumerables que existen ahora en el mercado.

Figura 2.5 En la parte superior se muestra un solo led de superficie tipo 5050, en la parte inferior se muestra una tira de leds superficiales del tipo 3528 2.7.3. Leds de potencia Los leds de potencia son muy diferentes a los leds estándar y de superficie en cuanto a sus características eléctrica y técnicas, si bien también existen leds de potencia superficiales, estos emiten una gran cantidad de flujo luminoso que es cientos de veces mayor a la de los leds normales, a pesar de esto, su consumo eléctrico es elevado en comparación de los normales, ya que llegan a consumir de 350 mA hasta 3.5 A para un solo led. Para estos leds también existe cierta gama de colores disponibles como lo son el color blanco (cálido o frio), rojo, verde, azul entre otros no muy comunes como el rosa o el guinda. Las aplicaciones de estos se ven reflejadas en la aplicación de lámparas de alta eficiencia como lo son las de vapor de sodio e industriales que emiten grandes cantidades de flujo luminoso por lámparas con leds de potencia que se acercan o superan el flujo de luminoso de las mismas con un consumo energético menor.

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Si bien estos leds con de alta eficiencia se pueden manejar arreglos en serie como los leds normales, la única diferencia es la tensión que se debe aplicar para lograr hacer circular la corriente necesaria para hacer operar el led. Una característica importante de estos leds es que al hacer circular atreves de estos una corriente elevada tienen a tener un calentamiento sucesivo, el cual se controla con disipadores de calor, de no hacerlo se estaría degradando el led y por consecuente reduciendo su vida útil.

Figura 2.6 led de potencia de 50 watts

Figura 2.7 Led RGB de potencia de 5 watts sin disipador

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CAPITULO 3 CONTROL DIGITAL

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Introducción

El control automático no se habría podido desarrollar sin un paso previo dado por los controladores con la aparición de los computadores digitales los que abrieron un campo muy amplio de avance. K. Åström [18] hace una reseña de hitos históricos en el llamado control digital que hablan de esta evolución. Hasta el surgimiento de los sistemas digitales el único elemento de cálculo con que contaba la Ingeniería de Control eran los computadores analógicos electrónicos. Lo mismo ocurría con la implementación de los reguladores. Estos se construían con elementos analógicos mecánicos, neumáticos o electrónicos.

Quizás el avance más espectacular sea en el terreno de la tecnología de los computadores. Se observan avances en varias áreas: desarrollos electrónicos en materia de integración (vlsi), en el dominio de las comunicaciones, en la presentación de la información, la aparición de nuevos lenguajes y en la arquitectura propia de los computadores.

En cuanto al control avanzado, la teoría de control también prevé adelantos principalmente en las áreas de identificación de sistemas, algoritmos de control, optimización, control adaptativo, control inteligente y sistemas multivariables. Pero ya nunca más se podrá despegar el futuro de esta temática al del avance de los computadores digitales.

3.1. Características del Control Digital

Como características básicas del control digital se pueden mencionar las siguientes:

• No existe límite en la complejidad del algoritmo. Cosa que sí sucedía anteriormente con los sistemas analógicos.

• Facilidad de ajuste y cambio. Por el mismo motivo anterior un cambio en un control analógico implica, en el mejor de los casos, un cambio de componentes si no un cambio del controlador completo.

• Exactitud y estabilidad en el cálculo debido a que no existen derivas u otras fuentes de error.

• Uso del computador con otros fines (alarmas, archivo de datos, administración, etc.)

• Costo vs. número de lazos. No siempre se justifica un control digital ya que existe un costo mínimo que lo hace inaplicable para un número reducido de variables.

• Tendencia al control distribuido o jerárquico. Se ha pasado de la idea de usar un único controlador o computador para toda una planta a la de distribuir los dispositivos inteligentes por variable o grupos de estas e ir formando estructuras jerárquicas [34].

En cuanto a la arquitectura de un lazo de control es de la forma en que lo muestra la figura 3.1. El proceso en la mayoría de los casos es continuo, es decir se lo debe excitar con una señal continua y genera una salida continua. Esta señal, como en cualquier lazo de control es sensada por algún dispositivo que a su vez entrega una señal continua proporcional a la magnitud medida. Por otra parte

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está el computador que solo trabaja con valores discretos. Para compatibilizar ambos existen dos elementos: el CDA y el CAD que realizan la conversión de magnitudes.

Figura 3.1 lazo típico del control digital

3.3. EL PRINCIPIO DE REALIMENTACION

La idea de la realimentación es bastante simple y muy poderosa. A lo largo de su historia, ha tenido una fuerte influencia en la evolución de la tecnología. Las aplicaciones del principio de realimentación han tenido éxito en los campos del control, comunicaciones e instrumentación. Para entender el concepto, asuma que el proceso es tal que cuando el valor de la variable manipulada se incrementa, entonces se incrementan los valores de las variables del proceso. Bajo este concepto simple, el principio de realimentación puede ser expresado como sigue:

Incrementar la variable manipulada cuando la variable del proceso sea más pequeña que la referencia y disminuirla cuando ésta sea más grande.

Este tipo de realimentación se llama “realimentación negativa” debido a que la variable manipulada se mueve en la dirección opuesta a la variable del proceso. El principio puede ser ilustrado por el diagrama de bloques que se muestra en la Figura (3.2). En este diagrama el proceso y el controlador están representados por cajas negras y las flechas denotan las entradas y salidas a cada bloque. Hay que notar que existe un símbolo especial que denota una suma de señales.

El diagrama de bloques muestra que el proceso y el controlador están conectados en un lazo realimentado. La presencia del signo en el bloque de retorno indica que la realimentación es negativa.

PROCESADOR

CDA

PROCESO

ADC

SENSOR

rK uK U(t) Y(t)

yK

41

Figura 3.2 Principio de retroalimentación negativa

3.3. Tipos de controles 3.3.1. Control on-off El mecanismo de realimentación más simple se puede describir matemáticamente como sigue:

U = {Umaxe > 0Umine < 0

(3)

Donde e = y sp - y (diferencia entre la referencia especificada por el operador y la salida medida del proceso) es el denominado “error de control”. Esta ley de control implica que siempre se usa la acción correctiva máxima. De esta manera, la variable manipulada tiene su valor más grande cuando el error es positivo y su valor más pequeño cuando el error es negativo.

La realimentación de este tipo se llama “control on-off” [12]. Es simple y no tiene parámetros que configurar, aparte de las acciones mínima y máxima que se ejecutan en el cálculo de la señal de control. El control on-off muchas veces es apropiado para mantener la variable controlada del proceso cerca del valor de la referencia que fue especificada, pero típicamente resulta en un sistema donde las variables oscilan. Hay que notar en la ecuación (3) que la variable de control no está definida cuando el error es cero. Es común tener algunas modificaciones ya sea introduciendo histéresis o una zona muerta como se muestra en la Figura (3.3.)

CONTROLADOR PROCESO

-1

Σ

42

Figura 3.3 A característica de un controlador on – off ideal y modificaciones con B zona muerta y C histéresis.

3.3.2. Control proporcional

La razón por la que el control on-off resulta en oscilaciones es que el sistema sobreactúa cuando ocurre un pequeño cambio en el error que hace que la variable manipulada cambie sobre su rango completo [12]. Este efecto se evita en el control proporcional, donde la característica del controlador es proporcional al error de control cuando éstos son pequeños. La Figura 3.4 muestra la característica de un controlador proporcional.

De esta manera, el controlador está caracterizado por la función no lineal u= fc (e), dependiente del error de control, que se muestra en la siguiente figura:

u

e

u

e

u

e

A B C

Banda Proporcional e

Pendiente K

U Umax Ub Umin

43

Figura 3.4 Característica de un controlador proporcional. La entrada es el error de control e y la salida es la señal de control u.

Para describir la característica del controlador proporcional se debe dar los límites u max y u min de la variable de control. El rango lineal puede ser especificado, ya sea, por la pendiente dada en la curva característica (ganancia K del controlador) o, bien, por el rango donde la curva característica es lineal (conocida como banda proporcional P b). Este rango está normalmente centrado alrededor de la referencia. La banda proporcional y la ganancia del controlador están relacionadas a través de:

u max - u min = KP b (4)

Normalmente se asume que 100% u max - u min =100% , lo cual implica que

K = (5)

Hay que notar que un controlador proporcional actúa como un controlador on-off cuando los errores de control son grandes.

3.3.3. Control Proporcional (P)

Este tipo de controlador genera una salida que es proporcional al error actuante. En el control proporcional existe una relación lineal entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control. La siguiente ecuación representa el algoritmo de control digital para un controlador proporcional:

푚(푘) = 푘푐푒(푘) − 푘푐푒(푘 − 1) + 푚(푘 − 1)(6)

Donde: m(k) Salida del controlador e(k) Señal de error entrante kc Ganancia del controlador 3.3.4. Control Proporcional más Integral (PI)

En este tipo de controlador, la señal de salida experimenta un salto inicial proporcional al error actuante y a continuación presenta una variación gradual a una velocidad proporcional al error. El algoritmo de control digital para el controlador PI esta dado por la siguiente ecuación:

푚(푘) = 푞표푒(푘) + 푞1푒(푘 − 1) + 푚(푘– 1)(7)

푞표 = 퐾푐 1 +푇

2푇1(8)

44

푞1 = −퐾푐 1 −푇

2푇1(9)

Donde: m(k) Salida de control e(k) Señal de error entrante kc Ganancia del controlador T1 Tiempo integral T Periodo de muestreo 3.4. Criterios de Sintonía La sintonía de controladores PID para procesos industriales está basada normalmente en especificaciones nominales sobre determinadas características de la respuesta del sistema en lazo cerrado a cambios bruscos en el punto de consigna o en la carga. También es usual basar el diseño en criterios de optimización sobre la señal de error, tratando de minimizar alguna de las cuatro integrales típicas de la señal de error: la integral del error (IE), la integral del cuadrado del error (ISE), la integral del valor absoluto del error (IAE) y la integral del valor absoluto del error ponderado en el tiempo (ITAE). Los éxitos cosechados por las propuestas de Astrom y Hagglund en 1984 han hecho que actualmente sea más habitual encontrar soluciones a la sintonía de los controladores PID para procesos industriales basadas en especificaciones de estabilidad relativa en el dominio frecuencial, es decir, en determinadas características de la respuesta en frecuencia del conjunto (controlador + proceso). Las dos especificaciones tradicionalmente utilizadas han sido el margen de fase y el margen de ganancia. El criterio de razón de amortiguamiento de 1/4 que fue utilizado por Ziegler y Nichols, previene de grandes desviaciones en el primer pico de la respuesta del sistema cuando se producen cambios en la carga o perturbaciones sobre el sistema, pero trae consigo una sobre oscilación del 50% para cambios bruscos en el punto de consigna, que puede ser excesiva en la mayoría de las aplicaciones. Existen formulas de sintonía que garantizan sobre oscilaciones menores tanto la máxima sobre elongación como la razón de amortiguamiento, que están directamente relacionadas, se pueden inspeccionar fácilmente, incluso de forma visual, pues basta con prestar atención a uno o dos puntos de la respuesta del sistema en lazo cerrado. Por lo tanto, es normal que los ingenieros de procesos se encuentren muy familiarizados con ellos y que manifiesten un mayor interés por formulas de sintonía que utilicen estos criterios. No ocurre lo mismo con las integrales de error, que no son tan fáciles de inspeccionar. En cambio, los criterios integrales tienen la ventaja de ser más precisos de cara a la sintonía del controlador, pues mientras varias combinaciones de parámetros de control pueden dar lugar a una misma razón de amortiguamiento, solo una combinación de parámetros minimizara la correspondiente integral.

45

3.4.1 Caracterización en bucle abierto En general no es posible describir completamente un proceso industrial, de ahí que se empleen para ello técnicas de aproximación. Estas técnicas se basan en el hecho de que la mayora de los procesos industriales son estables en lazo abierto y que la respuesta del proceso a ciertas señales de entrada puede aportar en muchos casos información suficiente para poder diseñar un controlador satisfactorio. En particular, el método de Ziegler – Nichols [37] [35] en bucle abierto determina un ajuste de los parámetros del controlador en función de la respuesta del sistema a un escalón en la entrada del mismo. En la figura 3.5 se observa la salida de un sistema dinámico frente a un incremento en la entrada del mismo aplicado en el instante t = 0. Como se puede observar, la respuesta del sistema se desvía de la situación estacionaria inicial.

Figura 3.5 Respuesta frente entrada escalón 3.4.2. Caracterización basada en dos parámetros En principio, caracterizar la dinámica de un sistema a través de dos únicos parámetros puede parecer demasiado restrictivo, sobre todo si se tiene en cuenta las complejas dinámicas que se pueden encontrar en un proceso industrial. Sin embargo, los métodos empíricos de Ziegler Nichols, utilizados profusamente en el entorno industrial utilizan una caracterización del sistema basada en la estimación de dos únicos parámetros [35]. Aunque esto pudiese resultar contradictorio, no hay que perder de vista lo siguiente: se desea caracterizar el sistema para controlarlo, no para modelar su dinámica. Es decir, a la hora de obtener un modelo del sistema con vistas a implementar, por ejemplo, el predictor de Smith, resultara normalmente insuficiente el concurso de únicamente dos parámetros para la modelización de la

46

dinámica. Sin embargo, en este contexto, se está interesado exclusivamente en obtener una razonable elección de los parámetros del controlador, lo cual se puede conseguir. 3.4.3. Aproximación como sistema de primer orden sin retardo Considérese que se desea aproximar la función de transferencia de un sistema a través de dos únicos parámetros. Un elección natural será aproximar la dinámica del sistema a través de una función de transferencia de primer orden:

G(s) =K

Tres + 1(10)

En dicha aproximación, k es la ganancia estática del sistema y la constante de tiempo Tres proporciona una cierta medida del tiempo que tarda el sistema en alcanzar el estado estacionario. En el contexto del control PID, a esta constante de tiempo se le denomina tiempo de residencia. Si se conoce la respuesta del sistema frente a una entrada en escalón unitario, resulta sencillo estimar la ganancia estática del sistema. Para ello solo se requiere el computo de la relación entre el incremento en el valor estacionario final de la salida y el incremento a la entrada, supuesto este producido en el instante t= 0. Es decir, K se puede obtener de la siguiente expresión:

K =y(∞) − y(0)u(∞) − u(0)

(11)

En cuanto a la determinación de Tres, se puede utilizar el siguiente procedimiento:

- Se calcula el área A0 comprendida entre el valor final de la salida y la respuesta temporal de la misma figura (3.6)

퐴표 = (푦(∞) − 푦(푡)푑푡(12)∞

- Una vez calculada el área A0, Tres se obtiene de la expresión:

푇푟푒푠 =퐴표퐾(13)

Resulta un sencillo ejercicio comprobar que la anterior relación proporciona el valor exacto de la constante de tiempo de un sistema de primer orden [35]. En la figura 3.6 se proporciona una comparación entre la respuesta real del sistema y la proporcionada por el método de caracterización de la ganancia estática y tiempo de residencia. Como se comprueba en dicha figura, se recoge perfectamente el comportamiento en régimen estacionario, sin embargo, el transitorio no se consigue aproximar de forma adecuada.

47

3.4.4. Aproximación como integrador mas retardo puro Otra posibilidad, a la hora de aproximar la función de transferencia de un sistema a través de dos únicos parámetros, consiste en utilizar el modelo de un integrador que tenga un retardo puro:

G(s) =a

sLe (14)

Figura 3.6 Obtención del tiempo de residencia del sistema

Figura 3.7 Comparación entre la respuesta real y la aproximación dada por un sistema de primer orden (trazo discontinuo)

48

Como se comprobara a continuación, la citada aproximación no proporciona buenos resultados a bajas frecuencias, a no ser que el sistema realmente contenga un integrador. Sin embargo, las características temporales en los primeros estadios del transitorio se recogen de forma adecuada. A la hora de obtener los parámetros a y L de la respuesta temporal, se puede utilizar el hecho de que la aproximación presentada tiene una pendiente constante e igual a a/L. Dichos parámetros por lo que dichos parámetros se pueden obtener gráficamente trazando la recta de mayor pendiente tangente a la respuesta temporal del sistema. En la figura 3.8 y se muestra el procedimiento grafico que permite la estimación de los parámetros a y L.

Figura 3.8 Obtención de los parámetros L y a En la figuras 3.9 y 3.10 se comparan las características de las aproximaciones anteriormente detalladas. Especialmente revelador es el hecho de que el sistema constituido por integrador mas retardo puro presenta un diagrama de Nyquist [36], representado como una línea de puntos en la figura 3.9, que aproxima bastante bien la respuesta frecuencial del sistema en las frecuencias intermedias, que son precisamente las que permiten realizar un diseño apropiado de un controlador.

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Figura 3.9 Comparación entre las dos aproximaciones. La respuesta temporal real del sistema se representa en trazo continuo

Figura 3.10 Comparación entre las dos aproximaciones. El diagrama de nyquist del sistema real se representa en trazo continuo.

50

3.4.5 Método basado en tres parámetros Modelo basado en tres parámetros El modelo basado en tres parámetros aproxima la función de transferencia del sistema a través de un sistema de primer orden sujeto a un tiempo muerto. En esta aproximación los tres parámetros involucrados son: la ganancia estática K del sistema, la constante τ del sistema de primer orden y el retardo puro L:

G(s) =Keτs + 1

(15)

Es bien sabido que la respuesta, a un incremento en una unidad a la entrada de dicho sistema, viene dada por la expresión:

푦(푡) − 푦(0) =0푠푖푡 < 퐿

퐾 1− 푒 τ 푠푖푡 ≥ 퐿(16)

Esta respuesta tiene, entre otras, las siguientes características, como se puede observar en la figura 3.11:

- Valor en el estado estacionario igual a K + y (0). - El valor máximo de la pendiente de la respuesta vale K/τ y se alcanza en t = L. Es decir, la

aplicación del proceso grafico para la obtención del parámetro a permite afirmar que:

푎 =퐾퐿휏(17)

- Alcanza aproximadamente el 28% de su valor final en el instante t28 = L +τ/3

- Alcanza aproximadamente el 63% de su valor final en el instante t63 = L + τ.

Los diversos métodos de aproximación grafica para un modelo de este tipo coinciden en que la ganancia K queda unívocamente determinada con el valor de salida del proceso en el instante inicial y el valor de la misma cuando se ha recuperado de nuevo la situación estacionaria. No ocurre lo mismo con los otros parámetros del modelo, la constante de tiempo τ y el retardo L lo cuales se pueden estimar utilizando distintos métodos.

- Obtener K como el cociente entre el cambio observado en la salida y el cambio provocado en la entrada del proceso.

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- Medir t28 y t63, los cuales según se comento anteriormente, corresponden a los instantes en los que la respuesta del proceso alcanza el 28% y el 63% del valor estacionario.

Figura 3.11 Aproximación del tiempo muerto y de la constante de tiempo del sistema.

- Obtener τ y L de las expresiones 휏 = (푡63 − 푡28)

퐿 = 푡63 − 휏 (18)

Ecuación (18) Formulas de Ziegler Nichols para la caracterización en bucle abierto Fueron las formulas pioneras y formaron parte de un completo procedimiento Heurístico de ajuste de controladores PID, en los años 1942 y 1943, en los que los usuarios de los primeros reguladores industriales de Taylor Instrument necesitaban de alguna metodóloga para sacarles el máximo rendimiento a los equipos que se estaban instalando. Ziegler y Nichosls presentaron sus tan conocidas formulas de sintonía para controladores P, PI y PID (no interactivo), tanto para características del proceso (Ku yTu) estimadas en lazo cerrado, como en lazo abierto (L, K y τ), siguiendo como criterio de sintonía la razón de amortiguamiento 1/4 para cambios en la carga. Cuando se hace uso de las características estimadas en lazo abierto, estas formulas solo se deben aplicar en el rango

0.1 < 퐿휏< 1(19)

52

Como los mismos autores Ziegler y Nichols publicaron con un año de posterioridad a la publicación de sus conocidas formulas de sintonía, el control de sistemas sujetos a grandes retardos perdía la característica de ser controlado de forma apropiada con estas formulas de sintonía. Según los autores, el problema no consista en una incorrecta elección de los parámetros del PID, sino que por el contrario, el problema radicaba en el proceso en sí. Los autores concluyeron que los retardos y grandes constantes de tiempo tanto de la instrumentación, como del proceso, son factores determinantes de la potencialidad que dichos sistemas tienen de ser”controlados”. Otras estructuras, como el predictor de Smith resultan más adecuadas para el control de dichos sistemas. Las formulas de Ziegler y Nichols poseen las siguientes características:

- Las constantes de tiempo integral y derivativo se fijan únicamente en función del periodo de la oscilación mantenida o del retardo observado en el proceso.

- La ganancia proporcional se fija en función únicamente de la ganancia ´ultima o del parámetro a.

- Cuando el controlador es PID siempre se emplea una constante de tiempo derivativa igual a un cuarto de la constante de tiempo integral, con independencia de las características que tenga el proceso.

Tabla 1 Reglas de Ziegler Nichols en bucle abierto

TIPO DE CONTROL K Ti Td P 1

푎

PI 0.9푎

3L

PID 1.2푎

2L 퐿2

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3.4.6 Caracterización del sistema en bucle cerrado Ciertas características dinámicas de los procesos también se pueden determinar a partir de su respuesta en frecuencia. Existen varios métodos experimentales para la determinación indirecta de un punto de la respuesta en frecuencia, concretamente para determinar la ganancia ultima (Ku) y el periodo de oscilación mantenida (Tu), definidos respectivamente como: la ganancia de un controlador proporcional a partir de la cual el sistema en lazo cerrado deja de ser estable, y el periodo de la oscilación que se consigue con ese valor de ganancia.

Figura 3.12 Seguimiento y rechazo de perturbaciones para el controlador obtenido con el método de Ziegler-Nichols en bucle abierto Ziegler y Nichols, en función del valor de dicho punto frecuencial, proporcionan el valor de los parámetros del controlador PID. Los métodos más conocidos para la obtención de dichas características frecuenciales son el método de la oscilación mantenida, propuesto en 1942 por Ziegler y Nichols, y el método de identificación del relé 3.4.7. Método de la oscilación mantenida

- Cerrar el lazo de control con el controlador en modo proporcional únicamente. - Con la ganancia proporcional Kc a un valor arbitrario, provocar pequeños cambios bruscos en

el punto de consigna y observar la respuesta del sistema.

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- Aumentar o disminuir Kc hasta conseguir en el paso anterior que el sistema oscile con una amplitud constante. Anotar el valor de la ganancia proporcional en ese instante como Ku y medir el periodo de la oscilación mantenida Tu.

Figura 3.13 Punto de corte con el semieje negativo

Figura 3.14 Metodo de la oscilación mantenida

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3.4.8. Identificación utilizando un relé El método del relé, propuesto por Astrom y Hgglund en 1984, constituye una forma indirecta de automatizar el método de la oscilación mantenida. El método consiste en provocar un ciclo límite mediante la inclusión en el lazo de control de un elemento no lineal como es el relé, este ciclo límite tendrá aproximadamente el mismo periodo tc que la oscilación mantenida. En la figura 3.15 se observa el diagrama de bloques que representa al método propuesto. Para muchos sistemas la inclusión del relé provoca un comportamiento oscilatorio en el que la acción de control adopta conmuta del valor máximo al mínimo de una forma periódica. La respuesta del sistema es a su vez oscilatoria con una fase opuesta a la de la señal de control.

Figura 3.15 método del relé

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3.4.9 Esquema sintético del sistema de control

El objetivo es diseñar un control PI que permita mantener la intensidad luminosa dentro del vagón del convoy del STCM con una intensidad luminosa constante, teniendo en cuenta las condiciones externas de iluminación, de tal manera que cuando la intensidad externa tenga un valor elevado la intensidad interna en el vagón disminuya logrando así una iluminación adecuada, constante y que reduzca el consumo energético interno del vagón en situaciones y horarios diferentes, el diagrama de bloques del sistema es el siguiente:

Figura 3.16 Diagrama a bloques del sistema a diseñar con un control PI

ADC Modulo PWM

Microcontrolador (Control PI)

Set point Valor de referencia establecido en

una localidad de memoria

Driver controlado

por un PWM

Sensor (Celda solar)

Intensidad luminosa captada por sensor foto resistivo Señal de PWM

variable

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CAPITULO 4 DESCRIPCION DEL MICROCONTROLADOR HCS12 Y DEL DRIVER

58

4.1 Mircocontrolador HCS12

La familia de MC9S12C/MC9S12GC son microcontroladores de 48/52/80 pines, los cuales se desarrollan con la flexibilidad de núcleos de 16 bits hasta nueva gama de nuevos rangos y de cierto valor con una gran sensibilidad de espacio, teniendo su aplicación en la industria automotriz, uso general e industrial.

Toda la familia MC9S12C/MC9S12GC funcionan con un chip estándar de periféricos incluyendo 16 bits centrales para la unidad de procesamiento (CPU12), mas de 128K bytes de memoria flash tipo EEPROM, mas de 4K bytes de ram, una interfaz asíncrona de comunicación serial (SCI),una interface serial periférica (SPI), un modulo de tiempo de 8 canales con 16 bits (TIM), un modulador de ancho de pulso de 6 canales con 8 bits(PWM) y un convertidor analógico digital de 8 canales con 10 bits(ADC).

Figura 4.1 Diagrama a bloques general del HCS12

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Figura 4.2 Identificación del numero de parte

Toda la familia y gama de MC9S12C/MC9S12GC contienen un set completo de rutas de datos de 16 bits. La adición de un circuito PLL permite un consumo de energía y rendimiento ajustable a las necesidades de operación.

En adición los puertos de I/O disponibles en cada modulo, arriba de 10 I/O puertos son dedicados para habilitar la capacidad de según funcionando después de una interrupción o después de un modo de espera.

MC 9 S12x Dx 256

Estado del proyecto MC=Altamente calificado XC= Parcialmente calificado PC=Ingeniería de producto KMC=Paquete muestra KXC=paquete muestra

Tipo de memoria 9 - flash

Tipo de núcleo S12 – S12X S12 – S12 Familia del producto

Tamaño de flash

MC M 68 HC 16 Y1

Estado del proyecto MC=Altamente calificado PC=Ingeniería de producto

Tipo opcional de Cristal M – 1 a 8 MHz

Prefijo opcional

Rango de voltaje HC=5v +/- 1 V CK= 2.7v a 3.6 v CM=2.7v a 3.6

Familia del producto

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Figura 4.3 Imagen del microcontrolador MC9S12 GC32CPBE 1M34C CTQAQ0621

Los dispositivos están disponibles en paquetes QFP de 48-, 52- y 80 pines, en la presentación de 80 pines se puede hacer compatible con las familias de HCS12 A, B y D.

61

Figura 4.4 Diagrama interno a Bloques del HCS12 [31]

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Si bien Motorola advierte que este microcontrolador no ha sido diseñado para funcionar implantado en organismos vivos bajo ningún aspecto, así como en cualquier dispositivo que tenga relación directa con el sustento de la vida (marcapasos, etc...), su diseño hace hincapié en que se trate de un dispositivo "seguro". El que los microcontroladores se utilicen de forma mayoritaria en aplicaciones de control, obliga a estos dispositivos a prestar mucha atención a los sistemas de seguridad hardware.

En los sistemas de control profesionales hay que evitar cualquier inestabilidad ya que en su caso se puede producir una catástrofe. Sistemas de este tipo son los utilizados en la industria del automóvil, aeronáutica, sistemas de seguridad, etc.

Por esta razón fue necesaria la inclusión de sofisticados sistemas COP, que tiene por objetivo velar por la fiabilidad del chip. Las acciones que realiza son las de verificar que la ejecución de las instrucciones se mantiene en sincronía con el reloj, que este último mantiene la frecuencia correcta sin demasiadas variaciones, etc.

Asociado a su vez a temas de control y en particular el control en tiempo real, se encuentra el llamado temporizador general (temporizador principal), que no solo provee de interrupciones en tiempo real sino que gestiona todo el funcionamiento del integrado y sus posibles periféricos.

Para poder definir la CPU desde un punto de vista hardware se puede decir que se trata de una arquitectura LOAD/STORE (se trabaja con registros intermedios), y que por costumbre de su diseñador mantiene una arquitectura de memorias del tipo Princeton.

4.2 Terminales del hcs12

El MC68HC11 (MCU), dispone de 80 funciones de entrada y/o salida, las cuales se ven representadas por 52 pines en el caso de un encapsulado del tipo LQFP, o bien 48 en el mismo encapsulado. Los diferentes encapsulados se muestran en la figura (). Además, dependiendo del modelo MCU, se cuenta con diferentes tipos y tamaños de memorias (ROM, RAM, EPROM, EEPROM).

Figura 4.5 Asignación de los pines correspondientes en la presentación de 52 pines encapsulado LQFP, el cual se utiliza en este proyecto [31]

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4.3 CPU

Debido al diseño de los circuitos internos del micro, muchas de las señales de salida son de colector abierto. El fabricante recomienda como resistencia de pull−up un valor de 4K7.

Cuando se monta un sistema digital basado en microcontrolador, existe siempre el peligro de que un mal diseño provoque no solo un mal funcionamiento sino un daño irreparable de los circuitos. Esto se debe a que a diferencia de la lógica digital habitual, los microcontroladores, en general, trabajan con varios tipos de señales, conversores A/D, salidas PWM, líneas de transmisión y un largo etcétera, lo que provoca que un mal conexionado pueda tener graves consecuencias.

Un mecanismo de protección frente a este tipo de conflictos es el adoptado por el HCS12 donde varios de sus pines se encuentran dotados de circuitos internos de protección. Igualmente este tipo de soluciones tienen sus propias limitaciones por lo que nunca se debe bajar la guardia.

Para facilitar la comprensión se clasifican todos los pines del microcontrolador en grupos de acuerdo a las funciones de los mismos, siendo estas agrupaciones las siguientes.

1. Alimentación: VDD, VSS. 2. Reloj: EXTAL, XTAL, XCLKS. 3. Reset: RESET. 4. Transmisión serie asíncrona: TxD, RxD. 5. Petición de interrupciones hardware: IRQ, XIRQ, ECLOK, LSTRB/TAGLO, XCLKS 6. Modos de arranque: MODA, MODB, IPIPE0, IPIPE1 7. Comparadores: OC0−7. 8. Capturadores: IC0−7, PAC. 9. Transmisión serie síncrona: SCK, MISO, MOSI, SS. 10. Puertos: PA0−1, PB4, PTAD0-7, PTT0-7, PTP3-5, PTS-0-1, PTM0-5 11. Convertidores: AN0−7. 12. Buses: AD0−7, A8−15, AS, R/W. 13. Modulo de PWM: PW0-5, KMP3-5 Con esta clasificación, se intenta dar una vista general de todos los subsistemas hardware que conforman el microcontrolador y que tienen salida directa al exterior a través del encapsulado.

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Figura 4.6 Diagrama electrónico de los componentes del microcontrolador HCS12

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4.4 Modos de funcionamiento del hcs12

El HCS12 puede funcionar en 3 modos diferentes: solo chip, ampliado y prueba especial. En cada modo se dispone de un mapa de memoria diferente, como se muestra en la figura 4.7. 4.4.1. Modo solo chip En este modo de funcionamiento, el mapa de memoria del HCS12 está constituido por la memoria RAM, la memoria EEPROM, los registros de control y la memoria ROM. Este modo está pensado para funcionar cuando existe un programa grabado en la ROM, de tal manera que al arrancar se comience a ejecutar el programa indicado por los vectores de interrupción que se encuentran en ROM.

4.4.2. Ampliado

Además del mapa de memoria del modo single chip, es posible acceder al resto de las posiciones de memoria conectando memorias externas. El precio a pagar es que se pierden dos puertos de E/S, el puerto B y E, que se utilizarán como bus de datos y direcciones. En este modo se puede utilizar la memoria ROM interna, pero también es posible deshabilitar esta ROM y acceder a memoria externa y con ello a los vectores de interrupción que se encuentren en esa memoria externa.

4.4.3. Prueba especial

Este modo se utiliza para realizar pruebas de fábrica. En este modo especial se tiene acceso a determinados registros de control que en otros modos están protegidos. Figura 4.7 Designación de la memoria interna para cada modo de operación

Figura 4.7 Distribución de las localidades de memoria para los tipos de arranque [31]

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4.5 Registros de la CPU

La CPU del MCU dispone de 2 registros acumuladores de 8 bits, que se unen para formar el registro de 16 bits, siendo el acumulador A la parte alta y el acumulador B la parte baja. Además dispone de 2 registros para direccionamiento indexado X,Y ambos de 16 bits. El puntero de pila y el contador de programa son también de 16 bits, lo que permite que la longitud máxima de un programa sea de 64Kbytes, que es el espacio máximo direccional por el MCU. El registro CCR es el llamado registro de estado, que contiene unos bits de especial importancia que reflejan el estado de la CPU.

El puntero de pila debe ser inicializado por el usuario. La pila "crece" desde direcciones altas hacia direcciones bajas, por lo que al introducir un elemento en la pila, SP se decrementa en 1 ó 2 bytes dependiendo del tamaño del dato metido en la pila. Al sacar un elemento de la pila, SP se incrementa.

El contador de programa PC se va incrementado según se van ejecutando las instrucciones. Por tanto, los programas se ejecutan desde direcciones bajas a altas y la pila crece de direcciones altas a bajas. Es importante dar a SP un valor "seguro" de tal manera que la pila no se solape con el código, si es que el código se encuentra en RAM.

El registro CCR es de 8 bits. Cada bit tiene una letra asignada y representa una situación diferente del estado de la CPU.

Figura 4.8 Registros del HCS12 [24]

Continuando con la descripción de los registros del microcontrolador HCS12 se presentan los registros del PWM y el registro del ADC los cuales son de gran importancia para el desarrollo del proyecto.

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4.5.1 REGISTRO DE PWM En esta sección se da una descripción breve y general de los registros que contiene el PWM, en estos se ingresan valores binarios que activan o desactivan ciertas funciones y rutinas que permiten personalizar un PWM, así mismo estas instrucciones se traducen a un valor hexadecimal el cual es cargado con su respectivo registro al microcontrolador. Para comprender el funcionamiento del PWM dentro del microcontrolador MC68HCS12 se requiere describir las características principales del registro de PWM.

- Seis canales de PWM independientes con su respectivo periodo y ciclo útil - Contador independiente para cada canal de PWM - Programación de activación y desactivación de PWM para cada canal - Selección de la polaridad inicial para cada canal - El periodo y el ciclo útil tienen doble buffer. - Programación individual para cada canal con respecto a la señal cuadrada ya sea alineada de

forma central o de forma izquierda - Resolución de 8/10 bits para 6 canales o de 16 bits para 3 canalaes concatenados - Cuatro fuentes de reloj (A, B, SA y SB) que proveen una buena gama de rango de frecuencias.

Figura 4.9 Diagrama a bloques del modulo de PWM en el MC68HCS12 [31]

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4.5.1.1 Registro (PWME) El habilitar el registro de (PWMEx) con un bit=1 tiene como objetivo habilitar la salida por medio de un pin determinado lo cual provoca que la señal cuadrada generada tenga una salida por dicho pin. Una excepción crítica pasa cuando 2 canales están concatenados, lo que se refiere a que la unión de dos canales hace que su contador pase de 8 bits a 16 bits con lo cual se puede obtener una mayor gama de frecuencias.

Figura 4.10 Bloques del registro PWME [31] 4.5.1.2. Registro de polaridad del PWM (PWMPOL) La polaridad inicial que cada canal envía atreves de su pin es determinada por este registro el cual indica el estado que puede ser alto o bajo al inicio del ciclo, el estado lo determina un 1 o un 0 que se coloca en su bit correspondiente teniendo en cuenta que si es 1 el estado será alto y 0 será bajo.

Figura 4.11 Bloques del registro PWMPOL [31] 4.5.1.3. Registro de selección del reloj (PWMCLK) Este registro permite seleccionar el reloj que se destina utilizar en el canal deseado para generar el PWM deseado, cabe mencionar que existen 4 relojes disponibles, los cuales se seleccionan en relación al canal de salida seleccionado.

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Figura 4.12 Bloques del registro PWMCLK [31] 4.5.1.4. Registro de la pre escala del reloj (PWMPRCLK) Este registro permite al usuario programar una amplia gama de frecuencias en relación al reloj seleccionado y la pre escala seleccionada, se puede seleccionar valores de 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 ya sea para el reloj A o B.

Figura 4.13 Bloques del registro PWMPRCLK [31] 4.5.1.5. Registro que habilita la alineación (PWMCAE) Este registro contiene 6 bits de control que permite programar la señal de salida, la forma de onda será central o alineada a la izquierda, si se elige 1 será de forma central y si es 0 será de alineada a la izquierda.

Figura 4.14 Bloques del registro PWMCAE [31]

70

4.5.1.6. Registro de control de PWM (PWMCTL) En este registro se puede programar la concatenación de 2 canales lo cual nos dara como resultado una resolución de 16 bits y el modo de operación del registro en ciertas circunstancias.

Figura 4.15 Bloques del registro PWMCTL [31] 4.5.1.7. Registro de escala A (PWMSCLA) / Registro de escala (PWMSCLB) Este registro trabaja de manera estrecha con los otros registros que involucran al reloj, ya que aquí se procede a dividir el reloj principal entre 2 para poder generar los 4 tipos de relojes disponibles A, B, SA Y SB.

Figura 4.16 Bloques del registro PWMSCLA/PWMSCLB [31] 4.5.1.8. Registro del contador de los canales de PWM (PWMCNTx) Este registro esta dedicado únicamente a un contador ascendente/descendente de 8 bits que corre a la par del reloj fuente. Este registro permite que se genere la señal deseada, ya que cuando el contador inicia su conteo a la par del reloj y coinciden en algún punto del conteo programado se

71

produce una comparación la cual da paso a la generación de la señal con las configuraciones deseadas y programadas previamente.

Figura 4.17 Bloques del registro PWMCNTx [31] 4.5.1.9. Registro del periodo para los canales PWM (PWMPERx) Este registro tiene un periodo dedicado a cada canal, el valor de este registro determina el periodo del canal de PWM asociado. En este registro el periodo de cada canal se almacena en el buffer dos veces lo cual permite que si existe algún cambio este no tomara cambio hasta que ocurra alguna de las siguientes situaciones:

- El periodo efectivo termine - El contador se escribe (el contador se resetea a 0X0000) - El canal se deshabilita

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Figura 4.18 Bloques del registro PWMPERx [31] 4.5.1.10. Registro de duración de canal de PWM (PWMDTYx) Existe un registro de duración para cada canal. El valor en este registro determina la duración del canal de PWM asociado. El valor de la duración es comparado con el contador y si es igual al valor del contador ocurre un cambio de estado.

73

Figura 4.19 Bloques del registro PWMDTYx [31] 4.5.2. Registro del ADC Son muy comunes los instrumentos de medición de señales analógicas que digitalizan estas señales para su posterior procesamiento. Una aplicación muy común es el monitoreo y control de temperatura. Un factor considerable cuando se trata de convertidores analógicos a digitales (ADC) es el grado de resolución que estos poseen, el cual está definido por la cantidad de bits que lo constituyen. De este modo, un convertidor de 10 bits tendrá mayor precisión que uno de 8 bits, ya que en el primer caso obtendríamos 2^10 (1023) valores diferentes en comparación a un 2^8 (255) valores analógicos. Entre las características más importantes del convertidor analógico del microcontrolador MC68HCS12 se tienen:

- Resolución de 8/10 bits - Tiempo de conversión en resolución de 10 bits, 7µsec - Simple buffer amplificer - Tiempo de muestreo programable - Resultados justificados (izquierda/derecha) y resultado de datos marcados y no marcados - Control externo de flancos - Generación de una interrupción cuando terminada la conversión - Entrada multiplexada para 8 canales de entrada analógicos - Entrada multiplexada analógica/digital - Conversiones con un largo de frecuencia de 1 a 8

74

- Modo continuo de conversión - Escaneo múltiple de canales

Figura 4.20 Diagrama a bloques del convertidor analógico digital [31] 4.5.2.1. REGISTRO DE CONTROL ATD2 (ATDCTL2) Este registro controla el apagado, la interrupción, el control externo de flancos, control de las banderas de una conversión exitosa, control sobre el encendido del ATD en modo de espera.

Figura 4.21 Bloques del registro ATDCTL2 [31]

75

4.5.2.2. Registro de control ATD 3 (ATDCTL3) Este control controla la longitud de la conversión además el resultado de la conversión se coloca en una localidad de memoria elegía o sucesivamente en modo libre.

Figura 4.22 Bloques del registro ATDCTL3 [31] 4.5.2.3. Registro de control ATD 4 (ATDCTL4) Este registro controla la frecuencia del reloj, la longitud de la segunda fase de la muestra de tiempo y la resolución de conversión del A/D (8 bits o 10 bits).

Figura 4.23 Bloques del registro ATDCTL4 [31] 4.5.2.4. Control de registro ATD 5 (ATDCTL5) Este registro controla el tipo de secuencia de conversión, modo de escaneo continuo asi como también convertir varias entradas por secuencia.

Figura 4.24 Bloques del registro ATDCTL5 [31]

76

4.6. Etapa de potencia 4.7. Características del un driver Un “driver” es un dispositivo electrónico construido a base de semiconductores y encapsulado en diversas presentaciones, tienen su uso en el control, manejo y regulación de la energía que consume uno o varios leds. Los drivers varían en función de su complejidad y funcionalidad cuentan con ciertas características que los hacen mejores y más eficientes, tales como el control de grandes cantidades de leds, control parcial o total de la corriente y tensión, acoplamiento por medio de PWM de un micro controlador hacia el driver, dejando el manejo de la corriente y tensión a la variación del pulso, dimmeo analógico y/o digital.

Existe una gran topología en cuanto a los distintos tipos de drivers como lo son series, paralelos, individuales, conmutados etc.

La elección de un driver que se ajuste a nuestras necesidades varía en relación respecto a las siguientes características: tensión de alimentación, consumo de corriente, intensidad luminosa, capacidad de regulación de corriente, eficiencia del driver, tamaño y costo respectivamente.

Los circuitos del driver de los leds tienden a ser más pequeños de tamaño en comparación a las soluciones alternativas, aumentando su demanda en aplicaciones de alimentación portátil y con restricciones de espacio. Entre las configuraciones populares del driver de los LEDs en modo conmutado (switchmode) se incluyen: buck, boost, buck-boost y SEPIC, con la capacidad de controlar desde 25mA/LED a 1,5A/LED o incluso más. 4.7.1. Driver tipo boost converter Los drivers de los LEDs de la serie basada en ‘boost-converter’ ofrecen el mejor acoplamiento posible entre brillo y elevada eficacia debido al ‘boosting’ basado en inductor. Las pistas de las tarjetas de circuito impreso (PCB) se reducen también al mínimo mediante la topología del driver serie, permitiendo flexibilidad en los dispositivos electrónicos portátiles con restricciones de espacio. Las corrientes más elevadas en los leds dan como resultado tensiones directas más elevadas en ellos y viceversa. La tensión directa también varía inversamente con la temperatura. Los circuitos con la topología ‘buck-boost’ son ventajosos, ya que la tensión directa del LED puede estar sobre o por debajo de la tensión de la batería (Litio-Ion/polímero) dependiendo de las condiciones de funcionamiento. 4.7.2. Driver tipo change pump Los drivers de leds basados en “charge pump” (sin inductor) suponen una excelente elección allí donde se requieren niveles bajos o moderados de corriente y el espacio en la placa es limitado. Estos tipos de drivers generan una alimentación reforzada para alimentar múltiples LED conectados en paralelo. Las bombas de carga (charge pumps) ofrecen una solución de pequeño y bajo perfil y son capaces de realizar una conversión de alta eficiencia mediante el funcionamiento en distintos modos de conversión y su implementación es económica. Puesto que las ‘bombas de carga’ accionan los LED en

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paralelo, están bien adaptadas para las múltiples aplicaciones de displays. Las bombas de carga (charge pumps) tienen también la ventaja de unas prestaciones de bajo ruido conducido o radiado. La elección del mejor circuito integrado para la alimentación de drivers del LED o del display depende de muchos y diversos factores.

Figura 4.25 LT3477: Drivers para LEDS de alta potencia (350mA a 10A) – Tipo ‘Boost’ - Linear Technology – [I] 4.7.3. Driver tipo step up Los drivers de alta corriente para LEDs conmutados en el modo “step up” y basados en inductores proporcionan soluciones compactas y eficientes para la iluminación con LEDs para displays de ordenadores portátiles, iluminación de cámaras fotográficas de teléfonos móviles, iluminación del tablero de control de los automóviles y para los displays en aviación. Las características clave que incluyen son: elevada corriente, conmutadores de alta tensión, amplio rango atenuación luminosa manteniendo el color verdadero mediante PWM, amplio rango de la tensión de entrada y alta frecuencia de conmutación.

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4.7.4. Driver tipo buck-boost Los drivers de alta corriente para leds conmutados mediante el método “buck-boost” están basados en inductores y proporcionan soluciones flexibles, de pequeño tamaño, eficientes y aplicaciones de alimentación distribuida. Las características clave que incluyen son: elevada corriente, conmutadores de alta tensión, corrientes de led ajustables, amplio rango de la tensión de entrada y alta frecuencia de conmutación.

Figura 4.26 LT3476: Drivers para LEDs de alta potencia (350mA a 10A) – Tipo “Buck-Boost” - Linear Technology – [I] 4.8. Elección del driver

La elección de un driver para este proyecto se necesita uno que tenga la capacidad de manipular la corriente de salida por medio de un PWM, el cual es emitido del microcontrolador hacia el driver, además otra característica de este driver es que pueda manejar una corriente máxima de 350 mA para leds de potencia, así como la capacidad de poder alimentar simultáneamente la mayor cantidad de leds posibles sin perder eficiencia.

Debido a las características mencionadas hemos llegado a la conclusión de que le mejor driver disponible para las pruebas y aplicación del control PI es un driver que mano factura la firma de AIMTEC, la cual se dedica en su mayoría a construir y desarrollar convertidores ac-dc y dc-dc respectivamente, el driver corresponde al modelo de AMLDl-3035Z, el cual tiene como características generales la posibilidad de manejar hasta 7 leds en serie con una corriente máxima de 350 mA con una entrada de 5 a 30 Vcd y con una terminal de ajuste controlada por un PWM.

79

Figura 4.27 Imagen inferior: vista inferior del driver; Imagen superior: vista de la base del driver

80

CAPITULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA ILUMINACION LED

81

Introducción

La fundamentación teórica para el desarrollo de un algoritmo adecuado va estrechamente ligado a la aplicación que se desea desarrollar ya que estas varían de acuerdo a los factores externos e internos que e interactuaran con el sistema, de esta forma se eligen los métodos mas adecuados y efectivos que sirven de base para una programación concisa, confiable y eficiente ya que en los últimos años el creciente desarrollo tecnológico a desplazado poco a poco los controladores analógicos y los va reemplazando por digitales, esto ha traido nuevos dispositivos como lo son los microcontroladores, pics, avrs, dsps, etc. Los sistemas digitales traen consigo una gran cantidad de ventajas sobre los analógicos, principalmente tienen la capacidad de realizar una gran cantidad de funciones, rutinas y cambios de las mismas en tiempos muy cortos además que tienen una flexibilidad mayor para variar algún proceso mientras realizan una actividad de forma simultánea.

Para la elaboración de este proyecto se incluye la teoría del un control PI digital en dispositivos electrónicos enfocado al microcontrolador MC68HCS12, así como la identificación del modelo de control que tenemos que utilizar, el método de selección para el muestreo de los datos, establecer las ecuaciones de control, los métodos de ajuste para el controlador y finalmente establecer el diseño de control.

5.1. Diagrama a bloques del sistema

Para tener una idea mas clara del sistema que se propone se muestra a continuación un diagrama a bloques del control de iluminación:

Figura 5.1 Diagrama a bloques del sistema de control de iluminación

El sistema muestra en primer lugar un valor de referencia o mejor conocido como “set point” el cual tiene como objetivo señalar un nivel de iluminación optimo, seguido se obtiene el error que va de acuerdo al nivel de iluminación actual, este error puede ser positivo o negativo dependiendo de la iluminación actual, el control PI debe corregir y acondicionar la señal entrante para poder enviar el valor corregido valido y dentro de rango a la etapa de PWM, una vez inicializado el PWM, el ancho de

+ _

Acondicionamiento del dato por medio de un

control PI

Generación de un nuevo PWM a partir del dato

corregido

Etapa de potencia (Driver), incremento o

decremento de la intensidad luminosa

Censado de la intensidad luminosa actual atreves de una celda solar, resultando en un dato analógico

Set Point Valor de Referencia

Σ

82

pulso que este emitirá será determinado por el dato corregido del control PI, una vez inicializado dicho PWM este pasara a la etapa de potencia, el cual consta de un driver que aumentara o disminuirá la corriente que pasa a través de los leds regulando de esta manera su intensidad luminosa en proporciones mayores con respecto a anchos de pulso grandes y en proporciones menores con un ancho de pulso reducido, finalmente se tiene el convertidor analógico digital que se encarga de muestrear la intensidad luminosa actual con el solo fin de obtener un dato y convertirlo en un dato digital para su posterior procesamiento.

5.1.1 Diseño del control PI

En diseño de control adecuado y enfocado al control de leds se tienen que integrar diferentes aspectos clave que permitan atreves de sus parámetros poder llegar a la ecuación de control adecuada en conjunto con las constantes de ganancia, la elaboración de una ecuación debe considerar los siguientes aspectos, debe contemplar una saturación de sobre el valor de la señal de control debido a que puede existir, tener en consideración que los valores negativos no son de utilidad, por la tanto el algoritmo debe garantizar que estos no tomen estos valores.

Datos de partida: U1=25.5 U2=252.45 ΔU=U2—U1= (252.45-25.5) = 226.95 U1 es el 10% de la señal de control del PWM y U2 es el 99% de la propia señal del PWM. Y1= 30 Y2= 350 ΔY=Y2-Y1= (350-30) = 320 Donde Y1 es la corriente mínima y Y2 es la corriente máxima, se toman en los puntos donde la intensidad luminosa es visible y en donde es máxima.

0

5

10

15

20

25

30

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tens

ion

[v]

Corriente [mA]COMPORTAMIENTO DE LA CORRIENTE EN AUMENTO GRADUAL DE LA

TENSION HASTA LA INOM DE LA LAMPARA

83

Y28.3%= ΔY * 0.283 + Y1 = 320 * 0.283 + 30 = 120.56 Y63.2%= ΔY * 0.632 + Y1 = 320 * 0.632 + 30= 232.24 Los puntos Y28.3% y Y63.2% se utilizan para obtener los tiempos t1 y t2. He aquí un paréntesis para la resolución de las ecuaciones de los tiempos, ya que normalmente los tiempos están determinados por la respuesta del controlador o driver que tiene sobre las leds, pero debido a que está conformado con un sistema micro procesado los tiempos de este pueden manipularse de tal forma que pueden ser o muy lentos o muy rápidos, sin embargo se opto por hacer una suposición cercana a los tiempos de operación del microcontrolador, quedando de la siguiente manera: T00= 0.5 seg T28.3%= 1.1879 seg T63.2% = 1.359 seg t00 corresponde al instante de tiempo donde se aplica el escalón (supuesto), por otra parte t28.3% y t63.2% corresponden a los tiempos asociados a Y28.3% y Y63.2%. Los propios tiempos establecidos se tomaron de la hoja de datos de respuesta del driver en su condición de respuesta más lenta controlada por un dimmeo digital, de esta forma se tiene que: t1=t28.3%-t00= (1.1879-0.5) = 0.6879 seg t2=t63.2%-t00= (1.359-0.5) = 0.859 seg Un sistema de ecuaciones de dos incógnitas viene a surgir quedando de la siguiente manera: Θ’+ τ/3=0.6879 Θ’+ τ=0.859 Resolviendo la matriz de 2x2 se obtienen los resultados de τ= 0.60235 y θ=0.25665 seg respectivamente. La ganancia del sistema está dado por:

K =ΔYΔU

=320

226.95= 1.41[20]

Se obtiene el modelo de primer orden del driver el cual es el siguiente:

M(s) =1.41e .

0.60235s + 1[21]

En donde los valores que se obtengan de la ecuación presente se enviaran al driver, teniendo solo un domino exclusivo y valido que comprende de:

1 < 푀(푠) < 255

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5.1.1.1. Selección del periodo de muestreo Para seleccionar el tiempo de muestreo utilizamos el criterio que establece que el período de muestreo se puede evaluar a partir de la constante de tiempo equivalente del sistema en lazo cerrado de la siguiente forma:

0.2(휏푒푞 + 휃’)0.2(휏푒푞 + 휃 ) ≤ 푇 ≤ 0.6(휏푒푞 + 휃 )[22]

Mc(s) =.

..

. [23]

Mc(s) =.

.. .

. [24]

Mc(s) = .

. [25]

Aplicando el criterio obtenemos lo siguiente:

0.2(0.059seg + (0.25665) ≤ T ≤ 0.6(0.059 + 0.25665) 0.06313 ≤ T ≤ 0.18030

La selección del tiempo de muestreo es de 70 milisegundos

5.1.1.2. Ajuste de Control Digital PI El ajuste de control PI establece los criterios para diseñar los parámetros del controlador como lo son kc y Ti.

Kc =0.9τ

k(θ + 0.5τ)[27]

kc =0.9 ∗ 0.60235

1.41 ∗ (0.25665 + 0.5 ∗ 0.070)[28]

85

kc = 1.31

Ti = 3.33(θ + 0.5T)[29]

Ti = 3.33(0.25665 + (0.5 ∗ 0.070)

Ti = 0.9711

Sustituyendo Kc y Ti en las ecuaciones 8 y 9 se obtiene:

qo = 1.31 1 + .∗ .

= 1.35[30]

q1 = −1.31 1−0.070

2 ∗ 0.9711= −1.26[31]

Reemplazando Kc y Ti en la ecuación 7 tenemos:

m(k) = 1.35e(k) − 1.31e(k − 1) + m(k– 1)[32]

Donde: e(k)= Error entrante (SetPoint – flujo luminoso medido). e(k-1)= Error entrante del periodo anterior. m(k)= Nuevo valor de comparación asociado al PWM. m(k-1)= Valor de comparación asociado al PWM en el periodo anterior.

5.1.1.3. Algoritmo de control El algoritmo de control es la rutina que se encarga de resolver la ecuación en diferencias asociada al controlador. Teniendo en cuenta que esta rutina de control debe ejecutarse periódicamente según lo establece el Periodo de muestreo, en este caso cada 70 milisegundos. Antes de ejecutar el algoritmo de control se debe sensar el flujo luminoso actual y el Set-Point. La inicialización de e(k-1) y m(k-1) deben de ser cero. Para evitar trabajar con decimales se procede a multiplicar y dividir la parte derecha de la ecuación en diferencias por una potencia de dos así:

m(k) =256[(1.35e(k) − 1.31e(k − 1) + m(k– 1)]

256[33]

86

m(k) =346e(k) − 336e(k − 1) + 256m(k– 1)

256[34]

Esta acción se realiza debido a que al someter la ecuación de control PI a prueba se encontró que los valores arrojados por la ecuación no son compatibles con el dominio que maneja el driver, dado que solo arrojaba valores menores a 4 o 3 unidades, es por esta razón que para aumentar el valor resultante del control PI se multiplico por los 8 bits o sea los 256 llegando a adquirir valores admisibles para el driver, sin embargo aun se generan valores superiores a los 8 bits y negativos pero para poder trabajarlos sin problemas se coloco en el apartador del algoritmo ciertas condiciones que corrigen estos valores y permiten operar al driver dentro de valores admisibles.

87

5.2. Diagrama de flujo

Figura 5.2 Diagrama de flujo del programa con control PI

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El diagrama de flujo muestra la secuencia de operación dentro del microcontrolador, la cual empieza con la inicialización de las variables y constantes, seguido de una rutina general que contiene 4 sub secuencias, pasando por la conversión de datos analógicos a digitales, la comparación con el valor de referencia, la corrección del dato entrante por las constantes proporcionales e integrales, seguido de la inicialización del PWM el cual regula la intensidad de los leds y finalmente un led que indica si está funcionando la rutina general.

A continuación se describen a detalle cada una de las rutinas y subrutinas que se involucran en el microcontrolador con su respectivo código, señal de salida y el medio por el cual se presenta.

5.2.1. Inicio y declaración de variables

En esta sección es de gran importancia declarar todas aquellas variables y constantes que se incluyan dentro de los procesos, rutinas y subrutinas que se llevaran a cabo dentro del microcontrolador.

Uno de los aciertos más favorables al momento de programar es el crear códigos pequeños, esto se logra cuando ocupando diferentes tipos de datos para variables y localidades de memoria que se utilizan en las rutinas y subrutinas.

Los diferentes tipos de datos tienen cierta capacidad, signo y ocupan un espacio diferente, a continuación se muestran los más utilizados en leguaje C:

Tabla 2 Designación y capacidad del los diferentes tipos de datos más utilizados en lenguaje de programación C [31]

Tipo de dato Tamaño en bits Rango de datos unsigned char 8 bit 0 a 255

char 8 bit -128 a 128 unsigned int 16 bit 0 a 65535

int 16 bit -32 768 a 32 767 unsigned short 16 bit 0 a 65535

short 16 bit -32 768 a 32767 unsigned short long 24 bit 0 a 16 777 215

short long 24 bit -8388608 a 8388607 unsigned long 24 bit 0 a 4294067295

long 24 bit -2147483648 a 2147483648

Dentro de la inicialización del programa se contemplaron valores que superan los 8 bits y que toman valores negativos, por esta razón se utilizan datos asignados como “short” que son de 16 bits y pueden contener valores asignados tanto como positivos o negativos.

Para iniciar una rutina y posteriormente una subrutina primeramente se les debe de asignar un nombre que las identifique con su respectivo tipo de dato, estas al no contener un dato en especifico se les asigna el prefijo de “void” seguido del nombre que se le asigne a la rutina sin espacios y nuevamente un “(void)” que llamara a la función con el nombre asignado requerido.

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Código de inicialización del programa:

unsigned char ADC_REFERENCIA=120; unsigned char ADC_ACTUAL; char e_actual; short PWM_PI; int proporcional; int integral; int PWM_PI_ANTERIOR; short last_PI; short e_anterior=0; unsigned char cte=1; short kp=335; short ki=313; short cte2=256; void DELAY20uS(void); void TDELAY(void); void GENERADOR_PWM(void); void CONTROL_PI(void); void CONVERTIDOR(void); void WAAA(void); void main (void) 5.2.2. Llamando a la rutina general

Una vez terminada la declaración de constantes, variables y el asignado respectivo para rutinas y subrutinas, el algoritmo de programación tiende a seguir la secuencia establecida definida por el programador, en este caso existen 4 subrutinas que se incluyen en la principal, como se muestran en la siguiente parte del código:

{ for(;;) { //********** RUTINA GENERAL ***********// CONVERTIDOR(); CONTROL_PI(); GENERADOR_PWM(); WAAA(); }} //**************************************//

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Se puede observar que el programa ejecutara de forma consecutiva cada una de las subrutinas declaradas, el programa continuara siempre y cuando se complete la rutina anterior, el tiempo de ejecución de cada una es variable, esto se debe a cualquiera de las siguientes dos razones:

- El proceso que se realiza actualmente está tomando demasiado tiempo - El tiempo de ejecución es establecido por el programador

Es conveniente decir que entre más rápido sea la ejecución de la rutina mejores resultados se obtienen. El utilizar un ciclo “for(;;)” asegura realizar un ciclo cerrado atreves de las 4 subutinas. 5.2.2.1. Llamado de la subrutina “CONVERTIDOR ();” Dentro de la rutina principal esta es la primera subrutina en ejecutarse, en esta subrutina se tienen como objetivo obtener un dato digital atreves de un dispositivo externo, que en este caso es una celda solar, las características del dato obtenido son valores de tensión positivos que van de 0 – 5 volts como máximo. La configuración del ADC en microcontrolador está determinada por cada uno de sus respectivos registros, la configuración que se programa actualmente se muestra en el código: //********** SUBRUTINA DEL CONVERTIDOR ADC ***********// void CONVERTIDOR (void) { ATDCTL2=0x80; DELAY20uS(); ATDCTL3=0x08; ATDCTL4=0xE3; ATDCTL5=0x82; while(!(ATDSTAT0 & ATDSTAT0_SCF_MASK)); ADC_ACTUAL=ATDDR0L; } La descripción del código muestra en el registro ATDCTL2=0x80 que el convertidor debe funcionar en modo normal, sin interrupciones, limpiando las banderas de señalización, deja trabajando el ADC aun en modo de espera y deshabilitando el modo de gatillo. Seguido a este registro se llama a un retardo de tiempo que le permite al microcontrolador configurar e iniciar el registro, ya que este prepara al convertidor y da paso a los demás registros. El registro del ATDCTL3=0x82; nos indica que en primer lugar el largo de la conversión que en este caso es de 2, la conversión actual se coloca en el registro correspondiente seguido del respectivo largo de conversión y finalmente se configura para que se mantenga activa la conversión de datos. El registro ATDCTL4=0xE3; nos indica la resolución del convertidor ADC, la cual esta situada en 8 bits, también este registro nos ayuda a determinar el largo de la segunda fase de la muestra de tiempo. Finalmente el registro ATDCTL5=0x82; indica la justificación del resultado de la conversión, configurado actualmente para que muestre la conversión en el ATDDRL0, los datos obtenidos de la conversión no llevaran signo, el micro esta configurado para que la conversión se realice en un solo

91

canal (modo simple de conversión) ya que solo tenemos un sensor acoplado al canal de entrada y por ultimo este muestra la entrada del pin del microcontrolador por la cual se realizara la conversión. La conversión para este momento ya se ha llevado a acabo, lo cual nos lleva a leer el registro de las banderas e informar al puntero de pila, esta acción se lleva acabo por medio del la instrucción “while(!(ATDSTAT0 & ATDSTAT0_SCF_MASK));” Una vez terminado lo anterior podemos situar el dato obtenido en una localidad de memoria, la cual se identifica por el nombre de “ADC_ACTUAL” que previamente se había declarado como dato de memoria. 5.2.2.2. Llamado de la subrutina “CONTROL_PI” Este sin duda es un eslabón clave para poder controlar de una forma adecuada la generación del PWM y por consecuente la manipulación del flujo luminoso proveniente de la lámpara. Como se estudio y observo en el capítulo 2 el control PI es un control digital que contempla una salida con referencia a la señal de error entrante menos la señal de error anterior más la salida pasada, todo esto multiplicado por sus respectivas constantes, proporcional o integral. La ecuación de control PI se muestra a continuación:

푃푊푀_푃퐼 =[ ∗ ∗ ( ∗ _ _ )

(20) Las constantes Kp y Ki se han declarado anteriormente en el inicio del programa y tienen como valor kp=335 y ki=313, la constante cte2=256, estos valores permiten tener un algoritmo estable y resultados acordes a los valores permitidos por el PWM. Además se incluye dentro del algoritmo las posibilidades de resultados negativos y que estén fuera de rango, lo cual se logra implementando una instrucción condicional que permite la comparación del resultado del error con el valor de referencia requerido, y es cierta la condición 1 que contempla un error menor al valor de referencia se inicia la ejecución de la ecuación de acondicionamiento PI, de lo contrario solamente se le restara una constante (establecida con un valor declarado al inicio del programa) al valor del PWM_PI_ANTERIOR hasta llegar a un valor cercano o igual al valor de referencia. Para poder hacer futuras iteraciones los valores como lo son el e_actual y PWM_PI pasan a ser guardados en la localidad de memoria que se denota con el nombre de e_pasado y PWM_PI_ANTERIOR respectivamente, de esta manera el programa podrá llamar a los valores requeridos para completar la ecuación de PWM_PI si fuese el caso. A continuación se muestra el código del control PI //********** SUBRUTINA DEL CONTROL PI ****************// void CONTROL_PI (void) { e_actual=ADC_REFERENCIA-ADC_ACTUAL; if (ADC_ACTUAL<ADC_REFERENCIA) PWM_PI=(((kp*e_actual)-(ki*e_anterior))+(cte2*PWM_PI_ANTERIOR))/cte2; if (ADC_ACTUAL>ADC_REFERENCIA)

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PWM_PI=PWM_PI_ANTERIOR-cte; PWM_PI_ANTERIOR=PWM_PI; e_anterior=e_actual; } //*******

5.2.2.3. Llamado de la función “GENERADOR_PWM”

En esta subrutina se tiene como objetivo utilizar el modulo del PWM del micocontrolador, lo cual es necesario para pasar a la parte de potencia, el fin de utilizar el PWM es en primer lugar por la calidad de la señal que envía, bien se puede utilizar un timer, pero la desventaja que este ocasiona entre otras cosas la carencia de establecer una frecuencia fija y no poder modificar la duración de los periodos.

El PWM que proporciona el microcontrolador tiene muchas características que lo hacen superior, confiable y eficiente con respecto a un timer, tal es el hecho de poder crear frecuencias muy elevadas que dependen del cristal que se tenga instalado, otra cuestión el el poder iniciar un PWM en estado alto o bajo, la justificación del pulso, esta puede ser centrada o a la izquierda, y finalmente la concatenación de canales, esto sirve cuando se requieren o frecuencias muy elevadas o muy pequeñas.

El código que se establece dentro del micro estable los siguientes parámetros:

Primeramente debido a que los canales del PWM están multiplexeados se necesita una instrucción para poder llamar al canal requerido, esta función es “MDRR=0x01;”. El primer registro habilita el PWM del canal 0. Los registros de “PWMPRCLK Y PWMCLK” se utilizan para configurar la frecuencia a la cual se desea que trabaje el PWM, sin embargo esta puede variar con respecto al cristal con el cual se esté trabajando. La señal de salida se justifica a la izquierda por medio del registro “PWMCAE=0x00;”. La concatenación en caso de requerirse se estable por medio del registro “PWMCTL=0x00;” aunque en este caso no es necesaria vale la pena mencionarlo. La señal de que entrega el PWM puede tener dos estados, uno alto o bajo, esto depende de la aplicación a la cual tengamos enfocado el programa, en este caso la señal de salida la determinados colocando un “1” para iniciar una polaridad en estado alto “PWMPOL=0x01;”. La determinación final de la frecuencia queda establecida por medio del valor que se le asigne a el registro “PWMPER0=0XFF;” de esta manera obtenemos una frecuencia de 1.542 KHz, frecuencia permisible para el driver. El registro “PWMDTY=PWM_PI;” es determinante en la señal que se obtenga a la salida del microcontrolador ya que el dato que se le asigne a la variable PWM_PI determinara el porcentaje de ciclo útil, este dato tiene como dominio solo valores positivos y como rango valores de 1 a 254, el salirse de estos valores ocasionaría un desbordamiento en el valor de la duración del ciclo, esto se vería reflejado en la intensidad luminosa de la lámpara. El hecho de cambiar la duración de un PWM no asegura que surtirá efecto en la asignación de un nuevo dato, ya que el modulo esta doblemente almacenado, esto significa que para hacer el dato

93

valido se tiene que llevar a cero el counter, de esta manera se modifica el dato anterior por uno nuevo proveniente de la subrutina anterior. //********** SUBRUTINA DEL PWM ****************// void GENERADOR_PWM(void) { MODRR=0x01; PWME=0x01; PWMPRCLK=0x66; PWMCLK=0x00; PWMCAE=0x00; PWMCTL=0x00; PWMPER0=0xFF; PWMDTY0=PWM_PI; PWMPOL=0x01; PWMCNT0=0x00; } //*********************************************// 5.2.2.4. Llamado a la subrutina “WAAA();”

Esta subrutina engloba solamente un led de estado indicativo, el cual tiene la función por medio de su baja atenuación el indicar que el microcontrolador esta cumpliendo toda la rutina, esto se logra direccionando al puerto A como salida y a uno de sus pines como salida en estado inicial alto, se llama a un retraso que permite al led apagarse, pero debido a que el retraso es demasiado rápido solo se logra ver una atenuación leve, de esta manera ahorramos energía en el micro.

//********** SUBRUTINA DEL WAAAA ****************// void WAAA(void) { DDRA=0xFF; PORTA_BIT1=1; TDELAY(); PORTA_BIT1=0; }

94

5.3. Código del Programa

#include <hidef.h> /* common defines and macros */ #include "derivative.h" /* derivative-specific definitions */ //********** DECLARACION DE VARIABLES***********// unsigned char ADC_REFERENCIA=120; unsigned char ADC_ACTUAL; char e_actual; short PWM_PI; int proporcional; int integral; int PWM_PI_ANTERIOR; short last_PI; short e_anterior=0; unsigned char cte=1; short kp=335; short ki=313; short cte2=256; void DELAY20uS(void); void TDELAY(void); void GENERADOR_PWM(void); void CONTROL_PI(void); void CONVERTIDOR(void); void WAAA(void); void main (void) { for(;;) { //********** RUTINA GENERAL ***********// CONVERTIDOR(); CONTROL_PI(); GENERADOR_PWM(); WAAA(); }} //**************************************// //********** SUBRUTINA DEL CONVERTIDOR ADC ***********// void CONVERTIDOR (void) { ATDCTL2=0x80; DELAY20uS();

95

ATDCTL3=0x08; ATDCTL4=0xE3; ATDCTL5=0x82; while(!(ATDSTAT0 & ATDSTAT0_SCF_MASK)); ADC_ACTUAL=ATDDR0L; } //********** SUBRUTINA DEL CONTROL PI ****************// void CONTROL_PI (void) { e_actual=ADC_REFERENCIA-ADC_ACTUAL; if (ADC_ACTUAL<ADC_REFERENCIA) PWM_PI=(((kp*e_actual)-(ki*e_anterior))+(cte2*PWM_PI_ANTERIOR))/cte2; if (ADC_ACTUAL>ADC_REFERENCIA) PWM_PI=PWM_PI_ANTERIOR-cte; PWM_PI_ANTERIOR=PWM_PI; e_anterior=e_actual; } //******* //********** SUBRUTINA DEL PWM ****************// void GENERADOR_PWM(void) { MODRR=0x01; PWME=0x01; PWMPRCLK=0x66; PWMCLK=0x00; PWMCAE=0x00; PWMCTL=0x00; PWMPER0=0xFF; PWMDTY0=PWM_PI; PWMPOL=0x01; PWMCNT0=0x00; } //*********************************************// //********** SUBRUTINA DEL WAAAA ****************// void WAAA(void) { DDRA=0xFF; PORTA_BIT1=1; TDELAY();

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PORTA_BIT1=0; } //************************************************** void DELAY20uS(void) { int x=10000; while(x--);} void TDELAY(void) {int x=100; while(--x);} 5.4. Control de la iluminación

El control se realiza mediante un driver que es un convertidor dc-dc tipo buck-boost el cual se describió en el capitulo anterior, este “driver” como se le conoce usualmente tiene destinado una terminal la cual admite una señal de PWM la cual permite valores de 0 a 5 volts como máximo para poder regular el paso de la corriente atreves de los leds.

El driver modelo AMLDL-3035Z tiene las características de proporcionar hasta 400 mA y una tensión de 8 a 30 volts, estas características se acoplan a una carga de 7 leds de potencia que consuman nominalmente 350 mA como máximo para evitar sobrecalentamientos y una degradación potencialmente peligrosa, para controlar un arreglo de 7 leds de potencia se propone una configuración como la que sigue:

Figura 5.3 Arreglo propuesto para el estudio del control del modelo PI aplicado al microcontrolador HCS12

97

Figura 5.4 Driver tipo buck-boost modelo AMLDL-3035Z

Una de las grandes ventajas de este led, es que es un driver listo para usarse he instalarse, lo único necesario seria un par de filtros cerámicos, para atenuar y eliminar ruido que venga del exterior, otra cuestión seria que si el sistema va a estar acoplado a dos fuentes separadas seria indispensable aislar los sistemas por medio de unos optoacopladores, para evitar tensiones excesivas entre las terminales negativas

5.5. Sensor de intensidad luminosa

La construcción básica de una celda solar de unión p-n de silicio se muestra en la figura (). Como se muestra en la vista superior, se hace todo tipo de esfuerzos para asegurar que el área superficial perpendicular al sol sea máxima. Además hay que notar que la capa metálica conectada al material tipo n y el grosor de este mismo son tales que aseguran que un número máximo de fotones de energía luminosa alcancen la unión. Un fotón de energía luminosa en esta región puede chocar con un electrón de valencia e Impartirle suficiente energía para que abandone el átomo padre. El resultado es una generación de electrones libres y huecos. Este fenómeno ocurrirá a cada lado de la unión. En el material tipo n los nuevos huecos generados son portadores minoritarios y se moverán con bastante libertad a través de la unión, como en el caso de la unión p-n básica sin polarización aplicada. Un argumento similar se cumple para los electrones generados en el material tipo p. El resultado es un aumento en el flujo de portadores minoritarios, cuya dirección es opuesta a la de la corriente directa convencional de una unión p-n.

98

Figura 5.5 Sección transversal de una celda solar

Este incremento en la corriente inversa se muestra en la figura (). Puesto que V= 0 en todas partes sobre el eje vertical y representa una condición de corto circuito, la corriente en esta intersección se denomina corriente de corto circuito y se representa mediante la notación Isc.

Figura 5.6 corriente de corto circuito y voltaje de circuito abierto contra intensidad luminosa

Bajo el principio de funcionamiento de una celda solar esta cumple el propósito de poder reaccionar bajo los cambios y el flujo de fotones que inciden en el semiconductor y el dopaje, además la respuesta de cambio o incremento del voltaje son rápidas y estables.

99

Figura 5.7 Celda solar de 5v utilizada para el sondeo del flujo luminoso

La conexión de la celda solar acoplada al microcontrolador puede hacerse de forma directa o por medio de un optoacoplador para aislar ambos sistemas y evitar meter ruido.

5.6. Diagrama de conexiones

La estructura final se realizo por medio de una placa fenolica para evitar cables sueltos, corrientes parasitas que existen en la protoboard, y falsos contactos, por esta y obviamente razones de estética se opto por realizar un diseño en el programa de ARES 7 Profesional, el cual nos permite diseñar el impreso de los circuitos de manera digital y posteriormente plasmarlos en una placa fenolica.

Figura 5.8 Diseño del circuito impreso en ARES 7

100

5.6.1. Diseño final del circuito

Finalmente se procedió a “planchar” el circuito, lo que significa que la placa fenolica fue impresa con las pistas correspondientes resultado del diseño que se elaboro en ARES 7, para poder dejar las pistas listas en la placa se sumergió en cloruro ferrico para eliminar el cobre no deseado, cuando se elimina el cobre restante solo quedan las pistas deseadas, se limpia la placa y se procede a perforar y soldar cada unos de los componentes deseados, de esta manera el pcb diseñado queda como se muestra continuación:

Figura 5.9 Circuito diseñado para el control PI de una lámpara led.

5.6.2. Lámpara led de prueba

La lámpara led que se utilizo para probar el control PI esta compuesta por 7 leds de potencia de 1 watt, que consumen 350 mA de corriente máxima, estos se conectaron en serie para que todos los leds tengan la misma corriente, los leds se montaron sobre un disipador de calor para evitar un sobrecalentamiento, los leds se dispusieron de una forma lineal, no fue necesaria la aplicación de grasa de silicón para disipar el calor ya que las características del disipador favorecen al control del calor y mas aun, el correcto control de la corriente permiten un incremento de calor bajo.

101

Figura 5.10 Lámpara de leds utilizada en la prueba

5.7. Diseño final

En conjunto todo el sistema se compone de una fuente de alimentación de 30 volts, el circuito de control que incluye el microcontrolador, driver y sensor, finalmente la lámpara de prueba, en conjunto esto conforma el censado, control y regulación de la intensidad luminosa.

Figura 5.11 Prototipo de control y regulación de intensidad luminosa PI

102

5.8.1. Curva del comportamiento de la corriente con respecto a la tensión

Los leds al ser dispositivos semiconductores se controlan por medio de la corriente, esto es porque si se controlaran con el voltaje tendrían a consumir más corriente en el caso de los leds de potencia y por consecuente tendrían a degradarse rápidamente en el mejor de los casos o a destruirse en el peor, a continuación se muestra la grafica del comportamiento de la corriente con respecto al voltaje:

Figura 5.12 Grafica del comportamiento del aumento de la corriente con respecto a la tensión de alimentación.

5.8.2. Prueba del sistema de control PI

La prueba del sistema de control PI atreves del microcontrolador se realizo en ausencia de luz y en presencia de la misma, simulando de tal manera la entrada y salida a un túnel, esto tiene como finalidad variar el flujo luminoso que incide en el sensor, finalmente el dato adquirido repercute en el resultado de la ecuación de control PI que se encuentra almacenada dentro del microcontrolador, asignando diferentes datos al modulo de PWM y por consecuente variando la intensidad luminosa.

0

5

10

15

20

25

30

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tens

ion

[v]

Corriente [mA]COMPORTAMIENTO DE LA CORRIENTE EN AUMENTO GRADUAL DE LA TENSION

HASTA LA INOM DE LA LAMPARA

103

Figura 5.13 Etapa inicial de la prueba

5.8.2.1. Sondeo de la señal de salida del PWM

Las diferentes condiciones que se pueden presentar las resumiremos en al menos 4 estados, al minimo posible, 40%, 80% y a la máxima intensidad, esto lo podemos sondear por medio de un osciloscopio, en la terminal de salida del microcontrolador que en este caso es la terminal numero 22

Figura 5.14 Sondeando la terminal de PWM

104

5.8.3. Respuesta del algoritmo de control PI

Para el análisis de este nos enfocaremos en la parte en donde el dato corregido es enviado al modulo de PWM, para lo cual utilizamos el valor de 5CH, que detecta el ADC, expresado en voltaje es equivalente a 1.812 v, esto nos indica que el valor medido actual es menor al valor de referencia propuesto, esto cumple la primera condición, iniciándose así la ecuación de control PI, esta ecuación oscilara en un ciclo cerrado hasta que el valor medido alcance al valor de referencia, en la prueba se sondearon 150 iteraciones con el fin de acercar el valor medido al valor de referencia como se muestra a continuación:

Figura 5.15 Respuesta del control PI

Como se puede notar en la grafica se observa que las oscilaciones se van atenuando de tal forma hasta ser constantes cuando llegamos a la iteración 83, esto significa que el control PI estará enviando datos de 100 con oscilaciones de 10 %, esto no significa que el valor medido del ADC tiene el valor de 100.

Para poder determinar que el programa este trabajando e igualando la intensidad luminosa al valor de referencia se muestran las graficas obtenidas del osciloscopio que se proponen en el apartado 4.2.1.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120 140 160

VALO

R CO

RREG

IDO

PI

NUMERO DE ITERACIONRESPUESTA CONTROL PI

105

5.8.3.1. Análisis al minimo de intensidad luminosa

Cuando decimos que es al minimo de intensidad luminosa se entiende que la lámpara está proporcionando un minimo de flujo luminoso, esto se debe a que los datos obtenidos por parte de ADC muestran que es mucho mayor flujo luminoso proveniente del exterior al valor de referencia, proporcionando por consecuente un error muy pequeño, esto significa que el dato enviado al modulo de PWM es muy pequeño y esto se refleja automáticamente en una intensidad luminosa baja.

Figura 5.16 Respuesta ante un dato ADC mayor al dato de referencia

Figura 5.16´ Respuesta de la corriente en el driver dada la respuesta del PI actual.

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30

CORR

IEN

TE

ITERACIÓN

106

Decimos que para este caso si se cumple el control PI ya que la señal azul es la sonda que está conectada en la entrada del sensor, y da un valor cercano a los 2.23 volts, que es muy cercano al valor de referencia que es 2.35 volts

Figura 5.17 Lámpara emitiendo el minimo de su intensidad total

5.8.3.2. Análisis al 40% de intensidad luminosa

Un valor de 40% es cuando el modulo del microcontrolador envía una señal con voltaje RMS de 0.84 volts, del valor total que está programado para suministrar, además significa que; las condiciones externas son buenas pero no las optimas, así que se necesita el 40% de la capacidad total de la lámpara para suministrar un flujo luminoso optimo dentro del vagón.

Figura 5.18 Modulo de PWM suministrando un 40% de su capacidad para obtener una intensidad luminosa optima.

107

Una vez más se puede corroborar que el control PI esta igualándose al valor de referencia, obsérvese que la sonda 2 sigue manteniendo un voltaje de 2 volts, buscando la igualación al valor de referencia de 2.35v.

Figura 5.18´ Respuesta de la corriente en el driver dada la respuesta del PI actual.

Figura 5.19 Lámpara emitiendo el 40% de su intensidad total

020406080

100120140160

0 5 10 15 20 25 30

CORR

IEN

TE

ITERACIÓN

108

5.8.3.3. Análisis al 80% de intensidad luminosa

Un 80% de intensidad luminosa proporcionada por el modulo PWM significa que las condiciones externas ya no son tan favorables, en otras palabras significa que ya casi no existe flujo externo y consecuentemente se necesita más iluminación.

El voltaje que el modulo de PWM al 80% de su capacidad es de 1.68 volts.

Figura 5.20 Modulo de PWM suministrando un 80% de su capacidad para obtener una intensidad luminosa optima.

Figura 5.20´ Respuesta de la corriente en el driver dada la respuesta del PI actual.

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30

CORR

IEN

TE

ITERACION

109

Volvemos a observar que el comportamiento es el esperado y el control PI busca una vez más igualarse al valor de referencia mediante una iluminación más intensa por medio de la lámpara de leds.

Figura 5.21 Lámpara emitiendo el 80% de su capacidad total

5.8.3.4. Análisis al máximo de la intensidad luminosa

Solo queda analizar el último caso; como tal nos indica que se está utilizando el dato máximo permitido para generar la máxima intensidad luminosa en la lámpara led, significa que se ha sondeado el flujo exterior y este indica que una ausencia total de luz, por lo tanto el error de comparación es grande, por consecuente se envían datos cercanos al máximo permitido para comenzar a hacer el error más pequeño.

El valor del voltaje que emite en modulo de PWM en estas condiciones es de 2.1 volts lo que provoca que el driver suministre los 350 mA para que las lámparas emitan su máxima intensidad buscando igualase al dato de referencia como se puede ver una vez más en la siguiente figura:

110

Figura 5.22 Respuesta ante un dato del ADC muy pequeño con respecto al dato de referencia

Figura 5.23 Lámpara led suministrando la máxima intensidad luminosa.

111

Figura 5.23’ Lámpara led suministrando la máxima intensidad luminosa.

5.9. Estimación de costos para el diseño del sistema de control de iluminación led usando el microcontrolador

El propósito de tener una estimación del costo de un sistema de control es tener en cuenta la rentabilidad del sistema, incluyendo todo sus componentes, esto se debe a la razón de que únicamente contemplamos el diseño mas no la creación de e implementación del diseño de la iluminación dentro de los vagones del metro.

CONCEPTO DESCRIPCION CANTIDAD PRECIO UNITARIO PRECIO TOTAL

µcontrolador HCS12 µcontrolador MC9S12 GC32CPBE freescale

1 $ 400 $400

Driver AMLDL-3035Z Convertidor dc-dc tipo buck-boost para leds a 350 mA

1 $215 $215

Placa fenólica 10x15 cm

Placa fenolica de cobre virgen para circuitos impresos

1 $10 $10

CI 7812 Regulador de voltaje a 12 volts

1 $5 $5

Blocks de conexiones Conexiones para cable 3 $2 $6 Led de potencia 1 watt Led de potencia de 1

watt a 350 mA INOM 7 $15 $105

Disipador de calor Base disipadora de calor de aluminio para leds

1 $35 $35

Celda fotovoltaica de 5volts

Celda fotovoltaica de 5 volts a 1 watt

1 $40 $40

050

100150200250300350400

0 5 10 15 20 25 30

CORR

IEN

TE

ITERACION

112

Leds estándar blancos Leds para uso general 2 $3 $6 Cable dúplex #14 Cable 2 mts $10 $20 Capacitor electrolítico de 10µF a 10 Volts

Capacitor para eliminar rizos provenientes del sensor fotovoltaico

1 $1 $1

Capacitor cerámico de 0.1 µF

Capacitor para eliminar rizos provenientes del µcontrolador

1 $3 $3

Header tipo hembra Headers para conexiones

1 $15 $15

Cable usb serial de comunicaciones

Cable para comunicar al µcontrolador - Pc

1 $130 $130

Precio Final $991

113

5.10. Conclusiones

Los resultados del sistema de control propuesto se analizaron desde diferentes puntos, debido a que el comportamiento de cada unos de los elementos involucrados presenta diferentes respuestas, la mayoría presenta la actitud deseada, sin embargo existen sus excepciones.

Primeramente es notable que la programación de un algoritmo de control PI en un microcontrolador es confiable y factible, el tiempo de ejecución de toda la rutina completa es programable a tal grado de hacerla mas lenta o mas rápida, se observo que en tiempos mas lentos de ejecución los cambios de intensidad luminosa eran mas lentos y por consecuente se podría estar iluminando de mas o en menor intensidad en un momento erróneo, el incrementar la ejecución del control tienen como consecuencia hacer muy sensible el cambio de iluminación entre condiciones externas, si bien esto es bueno porque el sistema detecta inmediatamente los cambios externos pero, el espectador quedaría expuesto a posibles destellos por parte de la lámpara, para evitar esto se opto por moderar la velocidad de ejecución a un valor medio en donde la intensidad luminosa de la lámpara se mantiene por un instante de tiempo corto, esperando la próxima corrección de control con respecto al exterior.

El algoritmo de control PI demostró tener una respuesta favorable ante los cambios de intensidad luminosa tanto abruptos como parciales, su curva demostró que necesita de al menos 50 iteraciones para comenzar a acercarse al valor de referencia deseado, esto se debe a la ecuación de control, el tiempo que le toma al microcontrolador es de al menos 2 segundos, sin embargo el numero de interacciones son algo elevadas, pero aun así el tiempo de respuesta se considera rápido.

El uso de leds de potencia como lámpara de prueba arrojo tiene varias observaciones como lo son su bajo consumo eléctrico, siendo su máximo consumo de al menos una cuarta parte de una lámpara incandescente o de una tercera parte de una lámpara fluorescente, sin embargo es necesario incluir que para manipular correctamente la intensidad de los leds un dispositivo electrónico denominado “driver” es indispensable, del cual sus características varían con respecto a la cantidad de leds que se quieran manejar, actualmente se encuentran una gran cantidad de drivers en el mercado pero a nivel nacional son escasos y algo costos por lo que en cierto nivel es un poco complicado encontrar el driver adecuado para esta y otras aplicaciones.

El presente trabajo presenta un modelo de control digital basado en un algoritmo de programación en lenguaje C abarcando parte de la dinámica de programación en un microcontrolador utilizando las herramientas que contiene el propio, así mismo presenta un modelo de control para leds de potencia utilizando drivers que puede ser de utilidad para el diseñador interesado en implementar esta tecnología en el desarrollo de un propio modelo de iluminación no necesariamente para el metro sino para otros medios de transporte o lugares, por ultimo es necesario resaltar que este trabajo puede ser utilizado como base para el desarrollo de futuros proyectos o material de consulta para comprender alguno de los tópicos desarrollados.

Finalmente es posible decir que el desarrollo de un modelo de control PI utilizando microcontroladores es factible y eficiente ya que la respuesta de comportamiento ante las diferentes fluctuaciones de cambios externos son atendidas de forma rápida y con un cambio amigable, cabe mencionar que el microcontrolador solo se utiliza en un 30% de su capacidad total, lo que nos permite ocuparlo para otros fines y no exclusivamente para la aplicación en cuestión.

114

FUENTES DE CONSULTA

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116

ANEXOS

MODO DE PROGRAMACION CODEWARRIOR CodeWarrior es una herramienta para la programación de diferentes dispositivos tales como MPU, MCU, DSP, entre otros basado en un entorno IDE que integra edición de archivos, compilación optimizada, simulación de código, depuración y programación. CodeWarrior permite la programación en lenguaje ensamblador, C y C++. Se permiten combinaciones de código en los tres tipos mencionados o realizar aplicaciones con un lenguaje único. Este software sin embargo, no es gratuito. Existen diferentes tipos de licencias como son: versión de 30 dias, versión especial y versión profesional.

- La versión de 30 dias permite usar muchos elementos de la inrterfaz y cidigo full en el micro por 30 dias.

- La versión especial, sirve para utilizar muchos de los elementos de programación y permite compilar full código esnamblador, 4kb de código C y 1kb de código C++ para microcontroladores de la familia HC08. La versión para la familia HC12 permite 12 kb en C.

- La versión profesional permite hacer uso de todos los elementos de la interfaz IDE (simuladores, Etc) y compilación full en ensamblador, C y C++.

El programa CodeWarrior y la licencia especial se pueden obtener en la dirección http://www.freescale.com actualmente contiene la versión 5.1

CREACION DE UN PROYECTO

CodeWarrior se basa en el trabajo con proyectos. Un proyecto se puede crear totalmente desde cero, desde un stationery o por medio de un asistente.

Cabe mencionar que algunos IDEs de CodeWarrior varían ligeramente según la versión. Antes de crear un proyecto es bueno que se tenga en cuenta el termino TARGET. Dentro de un proyecto de codewarrior puede uno tener varias configuraciones con el fin de realizar alguna de las siguientes cosas:

- Almacenamiento de código en diferentes zonas de la memoria, según las especificaciones

indicadas. - Poder usar diferentes programas de Debug y programación con solo escoger una configuración

de otra. Cada una de esas configuraciones que se puede tener en un proyecto de codewarrior son llamadas Target, donde uno escoge la que necesite usar en el momento de compilar, simular, hacer debug y programar. Cada target permite elegir que archivos del proyecto usar y cuales no, además solo puede haber un target seleccionado.

PASOS PARA LA CREACION DE UN PROYECTO

117

Crear un proyecto desde cero implica un gran conocimiento de toda la interfaz IDE (archivos fuente, archivos de memoria, archivos de configuración, entre otros).

La forma de crear un proyecto desde cero es la siguiente:

1.- Ejecutar el programa CodeWarrior IDE 2.-Automaticamente aparecerá una ventana con el asistente de “Starup” el cual nos brinda varias opciones, seleccionados “Create New Proyect”.

Figura () Asistente de Starup 3.- Seleccionar “Create New Project”, esta ventana nos despliega tanto la familia de “HC12”, “HCS12” y “HCS12”, de la cual desplegamos la casilla de “HCS12”, a su vez buscamos la familia de nuestro MC correspondiente, que en este caso es la familia “HCS12GC” y finalmente seleccionamos la subfamilia de nuestro micro la cual es “32”, una vez seleccionado nuestro microcontrolador, seleccionados el tipo de conexión mas adecuado para trabajar, normalmente seleccionamos el “Full Chip Simulation”, el cual nos permite acceder a todas las funciones del MC pero únicamente simuladas, damos click en siguiente.

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Figura () selección del microcontrolador correspondiente y tipo de conexion 4.- La siguiente ventana nos despliega el lenguaje de programación que vamos a utilizar, por default esta seleccionada la casilla de “C”, esta opción permanece igual, ya que utilizaremos únicamente lenguaje C, en la parte superior derecha podemos colocar el nombre de nuestro proyecto y en la parte inferior la ubicación donde almacenaremos nuestro proyecto, elegimos finalizar.

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Figura () Selección de los parámetros del proyecto 5.- Esperamos que el programa inicie y cargue las librerías correspondientes

6.- seleccionamos con doble clic en la sección de source el archivo en c llamado main.c que nos despliega una ventana en donde colocamos el código en c, esta es la forma básica de crear un proyecto utilizando CodeWarrior en lenguaje c.

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ELECCION DEL DRIVER Son varias las características que se toman en cuenta para la elección del driver adecuado, aun así dadas las características del proyecto, tomando en cuenta la disponibilidad de semiconductores como este, y el coste del driver se reduce a un mínimo de posibilidades, de las cuales familia de AIMTEC resulta el más conveniente para el desarrollo |del prototipo, las características generales se desglosan a continuación: FICHA TECNICA DEL DRIVER AIMETC MODELO AMDL-3035Z Modelo Tensión de

entrada (V) Tensión de salida (V)

Corriente de salida (mA)

Eficiencia (%) Tipo de encapsulado

AMLDL-3035Z

7-30 2-28 350 95 DIP 14

Los datos técnicos son especificados para condiciones de temperatura 25°C y una humedad <75%

Figura (): AMLDL-.3035Z vista superior ESPECIFICACIONES DE ENTRADA

PARAMETRO|S NOMINAL TIPICO MAXIMO UNIDADES Rango de tensión 24 7-30 VDC

Filtro Capacitor Nivel máximo absoluto 40 VDC

Tiempo de tensión pico de entrada

500 ms

DC/DC encendido Encendido – abierto o 0.3 V- Vadj<1.25

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DC/DC apagado Apagado – Vadj =0.15 Máxima corriente en el pin

de manejo Vadj= 1.25V 1 mA

¿??????? Vin=30V, adj<0.15

0.25 mA

On/Off control digital Máxima frecuencia de PWM 1KHz Tiempo minimo de switcheo On/Off

200 ns

Control de encendido y apagado

Dentro del rango de tensión de

entrada

0.3-1.25 VDC

Nivel de tensión en el pin de manejo

0.3V<VAdj<1.25V para ajustar el nivel de corriente de salida del 25% al 100%

Rangos limite de control de tensión

Encendido – 0.2 – 0.3 V (VAdj ascendente) Apagado – 0.15 – 0.25 V (VAdj decremento)

Máxima corriente en el pin de manejo (analógico)

VAdj = 1.25 1 mA

ESPECIFICACIONES DE SALIDA

PARAMETROS CONDICIONES TIPICO MAXIMO UNIDADES Corriente de ¿?? %

Rango en tensión de salida V entrada=30V VCD Corriente de salida Vin-Vout>1.5 a

3V mA

Protección de corto circuito Regulado al nivel de cada modelo Protección de salida sin carga Continuo Máxima carga de capacitancia 47 µF Coeficiente de temperatura Ta= -40 a 85°C 0.05 +/- %/°C

Ruido y ¿?? 20 MHz ¿???? 250 mV p-p ESPECIFICACIONES GENERALES

PARAMETROS CONDICIONES TIPICO MAXIMO UNIDADES Frecuencia de switcheo 100% de carga 40 - 380 KHz

Temperatura de operación -40 a + 85 °C Temperatura de almacén -40 a + 85 °C

Caso máximo de temperatura 100 °C Impedancia termica Convencional por

aire +40 °C/W

Enfriamiento Convencionalmente por aire Tipo de material Plástico blanco no conductor (UL94-VO)

Peso 2.6 (DIP 14) 6.2 (DIP 16)

g

Dimensiones ( lx h x a ) DIP 14 0.80 X 0.40 X 0.27 Pulgadas

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20.32 x 10.16 x 6.88 mm DIP 16 0.92 x 0.55 x 0.40 pulgadas

23.37 x 13.97 x 10.16 mm

MTBF ¿???? >500 000 HRS (MIL HDBK-217 F a +25°C) Máxima temperatura de

soldado 1.5 mm para cada

caso de 10 segundos

260 °Cx

ESPECIFICACIONES DE LOS PINES DE SALIDA PIN ¿?????? 1 -V ENTRADA Alimentación negativa DC 2 V ADJ PWM/ON/OFF ó sin uso 7 -V SALIDA Conexión para cátodo de

led

8 + V SALIDA Conexión para ánodo de led 14 + V ENTRADA Alimentación positiva DC

Figura (): vista inferior del driver AMLDL-3035Z

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ISOMETRICOS DEL DRIVER AMLDL-3035Z DISEÑO DE LA FUENTE EMPLEADA

DESCRIPCION Y CARACTERISTICAS DE LA FUENTE La implementación de una fuente de alimentación es indispensable para la elaboración de un prototipo, las características de esta van en relación de las características de todo el diseño, para fines prácticos hemos de proponer una fuente que contenga las siguientes características básicas: Fuente de alimentación lineal de cd con 3 salidas de tensión, 1 de 12 volts, 1 de 5 volts y una variable de 0 a 40 volts todas al menos de 3 amperes cada una. Las características mencionadas obedecen a esta razón porque necesitamos una que alimente al microcontrolador a 12 volts, seguida de otra que alimente al driver y a los leds que funciona con máximo 30 volts y una fuente de de 5 volts que alimentara a dispositivos afines. DIAGRAMA ELECTRONICO DE LA FUENTE DE ALIMENTACION Si bien el diseño de la fuente puede ser variado tanto en su diagrama como en sus componentes hemos de proponer el siguiente diseño de características económicas, sencillas y confiables.

AMLDL-3035Z

20 mm

9.5 mm

2.54 mm

15.24 mm

5.08 mm

6.88 mm

3.05 mm

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Figura () diagrama eléctrico de la fuente de alimentación CARACTERISTICAS DE LA FUENTE El diseño de fuentes de alimentación estabilizadas mediante reguladores integrados monolíticos (reguladores fijos), resulta sencillo para aplicaciones de baja potencia. Concretamente para 1A (amperio) de salida, comercialmente un encapsulado TO-220 es de los mas populares. Todos estos reguladores tienen en común que son fijos y que proporcionan adecuadamente refrigerados una corriente máxima, de 1A. Además de estos, en el mercado se pueden encontrar los reguladores ajustables de tres pines o más, con diferentes encapsulados en TO-220AB, TO-3 y SIL, según la potencia y fabricante. Los más populares son los 78MG, LM200, LM317, LM337 y LM338. Los fabricantes de los reguladores recomiendan que la tensión entregada por el secundario del transformador debe ser como mínimo 3V superior a la tensión nominal del regulador (para un 7812, la tensión del secundario mínima será de 15V o mayor), esto también tiene que ver con la intensidad de consumo que se le exija a la salida de la fuente. El transformador El transformador para una alimentación estable debe ser, un transformador separador, esto quiere decir, que ha de disponer por seguridad, de dos devanados separados galvánicamente (eléctricamente), no es conveniente utilizar los llamados auto-transformadores los cuales como se sabe están construidos por una única bobina o devanado, el cual está provisto de diferentes tomas para obtener varias tensiones de salida, la verdad es que este tipo de 'transformadores' actualmente no se ve muy a menudo. Dependiendo de la aplicación a la que se destine la fuente de energía, deben tenerse en cuenta unos puntos concretos a la hora de decidir las características del transformador. La

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tensión en vacío del secundario debe multiplicarse por la raíz cuadrada de dos (√ 1'42). En cuanto a la intensidad es importante que la corriente que se le exigirá a la salida, es decir, si necesitamos 3A de consumo y el factor de tiempo, esto quiere decir, si el consumo va a ser continuado o tan solo es un consumo máximo esporádico, como punto medio, es buena idea aplicar el mismo criterio del factor raíz cuadrada de dos, lo que indica una intensidad sobre 4A. Hay dos tipos de transformador, los de armadura F o E-I y los toroidales O, estos últimos tienen un mejor rendimiento, no obstante esto no es determinante, por otra parte, es importante que los devanados estén separados físicamente y deben ser de hilo de cobre, no de aluminio, lo que reduciría el rendimiento. El Rectificador. Para rectificar una tensión debemos tener muy claro el tipo de fuente que vamos a necesitar, en contadas ocasiones optaremos por una rectificación de media onda, un caso particular es el de un cargador de baterías sencillo y económico, en todos los demás casos, es muy conveniente disponer de un rectificador de onda completa, para minimizar el rizado. Los diodos encargados de esta función han de poder disipar la potencia máxima exigible además de un margen de seguridad. También están los puentes rectificadores que suelen tener parte de la cápsula en metálico para su adecuada refrigeración. En algunos casos los rectificadores están provistos de un disipador de calor adecuado a la potencia de trabajo, de todas formas, se debe tener en cuenta este factor. La tensión nominal del rectificador debe tener así mismo un margen para no verse afectado por los picos habituales de la tensión de red, en resumidas cuentas y sin entrar en detalles de cálculos, para una tensión de secundario simple de 40V, debemos usar un diodo de 80V como mínimo, en el caso de tener un secundario doble de 40V de tensión cada uno, la tensión del rectificador debe ser de 200V y la potencia es algo más simple de calcular, ya que se reduce a la tensión por la intensidad y aplicaremos un margen de 10 a 30 Watios por encima de lo calculado, como margen. En algún caso debe vigilarse la tensión de recubrimiento, pero eso es en caso muy concretos. El filtrado A la hora de diseñar una fuente de alimentación, hay que tener en cuenta algunos factores, uno de ellos es la corriente que se le va pedir, ya que éste es, el factor más importante después de la tensión. Para determinar el valor del condensador electrolítico que se ha de aplicar a la salida del puente rectificador en doble onda, para alisar la corriente continua; la regla empírica que se suele aplicar, suele estar sobre los 2.000 uF por Amperio de salida y la tensión del doble del valor superior estándar al requerido, o sea, según esto, para una fuente de 1'5 A a 15 V, el condensador electrolítico debe ser al menos de 3.000 uF/35V. Como se ha mencionado la tensión del condensador, se debe sobre dimensionar, ésta debe ser al menos diez unidades mayor que la tensión que se recoja en el secundario del transformador o la más aproximada a ésta por encima (estándar en los condensadores). Este es el margen de seguridad exigible, ya que en muchas ocasiones los valores de tensión a los que se exponen no sólo depende de la tensión nominal, también hay tensiones parásitas que

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pueden perforar el dieléctrico, en caso de ser muy ajustada la tensión de trabajo y máxime si estamos tratando con una fuente balanceada, este es otro caso. El Regulador. En el caso de necesitar corrientes superiores a 1A, como ya se ha dicho, pueden utilizarse los reguladores de la serie 78HXX, LM3XX, en cápsula TO-3, capaces de suministrar 5A, no muy habituales. Otro problema reside en que sólo se disponen de 5V, 12V y 15V, que en la mayoría de los casos puede ser suficiente. En el supuesto de necesitar una tensión regulable (ajustable) desde 1'7V a 24V. El regulador a utilizar podría ser uno de la serie LM317, LM350 o LM338, la diferencia con los anteriores es que el terminal común, en lugar de estar conectado a masa, es del tipo flotante y por lo tanto esto permite ajustarle en tensión. Estos con los encapsulados típicos, TO-220 o TO-3.

Figura () Encapsulados TO-39, TO-3 Y TO-220 En la figura (), se muestra el esquema básico de un regulador variable. Los condensadores C1 y C2, se emplean con el fin de eliminar tensiones alternas residuales y mejorar el rizado de la rectificación, en cuanto a los diodos D1 y D2, sirven para la seguridad del regulador, contra tensiones inversas y evitar las tensiones parásitas o transitorias que lo destruyan. Es muy recomendable, siempre insistiré, se deben poner los mencionados diodos.

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Figura () Configuración de un regulador de tensión con protección contra tensiones inversas Características de la fuente de 5 volts Esta fuente tiene como finalidad alimentar a dispositivos afines al proyecto, como lo serian ventiladores, optoacopladores sensores, etc. Para poder generar una fuente de 5 volts el transformador cuenta con un devanado que suministra 9 volts de la cual se dirige a un puente rectificador de 200 volts con una corriente máxima de 4 amperes, asi mismo se filtra con unos capacitores de 0.01 Mf ceramico para eliminar rizos y uno electrolítico de 1000 Mf a 100 volts para la etapa de filtrado de onda , esta señal ingresa a un arreglo que consta de 3 regulares de tensión (7805) conectados en paralelo con un diodo (1N4004) conectado a la salida de cada uno para que en caso de que uno de los reguladores falle esta falla no afecte a los reguladores restantes, en conjunto se tiene una fuente de 5 volts dc con una capacidad de 3 amperes. Los tres reguladores van acoplados a una placa disipadora de calor, la cual los mantendrá a una temperatura aceptable en caso de una demanda de corriente cercana a sus valores nominales.

Figura () Etapa rectificadora y reguladora para una salida de 5 volts dc a 3 amperes Características de la fuente de 12 volts Esta fuente tiene como finalidad alimentar al micro controlador en específico. Para poder generar una fuente de 12 volts dc el transformador cuenta con un devanado que suministra 15 volts ca de la cual se dirige a un puente rectificador de 200 volts con una

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corriente máxima de 4 amperes, asi mismo se filtra con unos capacitores de 0.01 Mf ceramico para eliminar rizos y uno electrolítico de 1000 Mf a 100 volts para la etapa de filtrado de onda , esta señal ingresa a un arreglo que consta de 3 regulares de tensión (7812) conectados en paralelo con un diodo (1N4004) conectado a la salida de cada uno para que en caso de que uno de los reguladores falle esta falla no afecte a los reguladores restantes, en conjunto se tiene una fuente de 12 volts dc con una capacidad de 3 amperes. Los tres reguladores van acoplados a una placa disipadora de calor, la cual los mantendrá a una temperatura aceptable en caso de una demanda de corriente cercana a sus valores nominales.

Figura () Etapa rectificadora y reguladora para un salida de 12 volts dc a 3 amperes Características de la fuente variable de 0 a 40 volts dc. Esta fuente tiene como finalidad suministrar energía al driver que alimentara a todos los leds de potencia. El diseño de esta fuente empieza con una salida del transformador que suministra 32.4 volts ca, la cual se ingresa a un puente rectificador que soporta los 200 volts pero a 8 amperes lo cual garantizara una excelente estabilidad, una vez rectificada la señal se ingresa a una etapa de filtrado el cual consta nuevamente de 2 filtros, uno cerámico de 0,01 Mf y otro de 1000Mf a 100 volts los cuales nos dan una tensión de 42 volts cd, una vez rectificada la señal es ingresada a aun regulador de tensión (lm 350) el cual soporta una corriente de 3 amperes, pero este regulador no es el que suministrara la tensión, sino que solo regulara a otro transistor de potencia un 2N3035 el cual soporta alrededor de 6 amperes en cd y puede regular hasta 100 volts, este transistor de potencia va montado sobre un disipador de aluminio para mantenerlo a una temperatura estable.

Figura () Etapa rectificadora y reguladora para una salida variable de 40 volts