Dimmer controlado por mando a distancia: el hardware

A este proyecto le he dedicado otras entradas en el blog. Se trata de diseñar y construir un circuito para regular la intensidad de luz de una lámpara utilizando un mando a distancia.

Hoy voy a presentaros el hardware. Para que luego sea más fácil entender el software. He aquí el esquema:


No difiere mucho de los esquemas que encontraréis en otras páginas. Como cabe esperar el corazón del circuito es el microcontrolador que se ve a la derecha. Yo he usado un 12F683 porque es el que tengo para las pruebas pero vosotros podeis usar otros modelos si lo preferís. Para examinar el esquema lo dividimos en cinco partes.

Microcontrolador
No es necesario escribir mucho sobre esta parte.

Se trata del PIC IC1, es el cerebro y a él van conectadas el resto de elementos. Sí es interesante que tenga bajo consumo para no sobrecargar la fuente de alimentación. También conviene contar con un par de temporizadores para hacer más sencilla la rutina de recepción NEC.


Fuente de alimentación
Si queremos que el circuito sea lo más sencillo posible no podemos contar con una fuente de alimentación completa, ni con transformador ni conmunatada. Además se supone que el consumo va a ser muy bajo así que nos decantamos por una fuente de alimentación sin transformador. En inglés se conoce como Transformerless Power Supply y encontraréis abundante información y esquemas en Google. Por mi parte os recomiendo esta Nota de Aplicación de Microchip: Transformerless Power Supplies: Resistive and Capacitive.

Hablamos de R1, R4, R5, R7, D1, D2, C1, C2 y C3. Vamos a entender brevemente cuál es la función de cada componente.

La tensión de red (220V 50Hz en España) se aplica a los terminales X1-1 y X1-2. R5 es un fusible que protege al resto por si hubiera un cortocircuito interno.

C1 es el corazón de esta parte. Se trata de un condensador de tipo X2. Eso significa dos cosas, por un lado que está dimensionado para la tensión de red entre 150V y 250V AC. Y por otro que ante un fallo el condensador queda abierto. Otros modelos pueden fallar y quedar los terminales en corto, aplicando la tensión de red a todo el circuito. Cuando trabajamos con doce voltios nos da igual, pero con 220V hay que cuidar estos detalles o nos podemos llevar una buena hostia. Como dicen en la nota anterior: "si el condensador queda en corto puede reventar algo... literalmente".

R1 limita la intensidad que pasa por C1 cuando este se encuentra descargado al suministrar tensión. Y otro elemento de protección es R4 que garantiza que el condensador no se quede cargado cuando desenchufemos el circuito. Un condensador cargado a 220V da sustos muy desagradables. Es habitual cuando cargamos condensadores a esas tensiones no dejarlos cargados, ya lo vimos también en esta entrada.

Para la tensión alterna C1 representa una resistencia, más baja cuanto mayor su capacidad, sólo que a diferencia de una resistencia C1 no disipa calor (ni consume). El diodo zener D1 estabiliza la tensión en 5V que nos viene estupendamente para alimentar el PIC. D2, C2 y C3 forman un rectificador de media onda, que es apropiado sólo para bajos consumos.

Mientras que C2 es un condensador electrolítico que elimina el rizado de alterna, C3 es un condensador de poliester, de menor capacidad pero de reacción mucho más rápida. Nos suministrará los picos de corriente necesarios por ejemplo para disparar el optotriac sin afectar al voltaje de alimentación del resto del circuito.

R7 es un varistor que deriva los picos de la red que excedan cierto voltaje para que no lleguen al circuito. Es opcional aunque muy recomendable.

Sensor de paso por cero
Una vez tenemos el PIC alimentado necesitamos saber cuando la tensión de red pasa por cero para disparar el triac con un retardo acorde con la energía que queramos.

Mirad el datasheet de un PIC como el 12F683 y fijaos cómo son por dentro las entradas de tipo IO entrada/salida:


La imagen no está sacada del datasheet, sino de esta Nota de Aplicación donde viene más simplificado: Interfacing to AC Power Lines. El caso es que tienen dos diodos limitadores. Lo que quiere decir que aunque apliquemos 220V directamente al pin del PIC no se dañará siempre y cuando limitemos la intensidad. R2 es una resistencia de un valor muy elevado, suficiente para elevar la tensión hasta nivel alto, pero con una intensidad muy baja para no destruir los diodos. La tensión en el puerto GP2 oscilará entre 0 cuando la tensión de red pase por el semiciclo negativo hasta 5V como máximo en el semiciclo positivo. En cualquiera de las dos transiciones sabemos que la tensión acaba de pasar o va a pasar inmediatamente por cero.

Conviene utilizar una entrada de tipo Schmitt trigger (ST) para que la transición sea limpia. De lo contrario los transitorios producidos por el encendido de motores y electrodomésticos pueden causar que el circuito conmute varias veces antes de tiempo y por tanto que no funcione bien.

Disparador
Aunque veréis muchos esquemas que utilizan un triac de baja corriente de disparo (Logic level and sensitive gate triacs) aquí he usado un circuito clásico de triac-optotriac. Es cuestión de gustos, a mi personalmente no me gusta excitar directamente el triac con el micro, y menos aún cuando la fuente no está aislada eléctricamente como sí lo estaría si usásemos una fuente con transformador. Creo en el aislamiento galvánico y los optoacopladores me parecen la mejor opción; pero esto, repito, es solamente mi opinión personal y no quiero decir que de la otra forma no sea igual de válido.

En cuanto al optotriac, hay dos tipos: con detección de paso por cero y sin ella.

En lo que tienen detección de cruce por cero los más comunes son los modelos MOC30XY, donde X indica la máxima tensión nominal:
MOC 3041 -> 400V
MOC 3061 -> 600V
MOC 3081 -> 800V

y la Y indica la corriente que necesita el LED para garantizar el disparo:
MOC 3040 -> 30mA (no existen todos los modelos)
MOC 3041 -> 15mA
MOC 3042 -> 10mA
MOC 3043 ->  5mA

Aunque en el esquema está puesto como tal, no nos interesa un optotriac con detección de paso por cero. Pues no nos permitiría hacer el disparo cuando nosotros queramos. Así que será mejor emplear otros integrados como el MOC3020 o el MOC3030 que no incorporan esa característica. Los primeros son muy importantes para hacer una intermitencia o en general un control de encendido/apagado (por tiempo, por temperatura, etc) pero no precisamente un dimmer.

Además como el disparo lo vamos a hacer con un microcontrolador no es preciso que sea del modelo sensible (los acabados en 3) porque lo que haremos será enviar un pulso muy breve, que será suficiente para encender el triac pero al durar muy poco tiempo no agotará el condensador de la fuente de alimentación. La cosa sería muy distinta si en lugar de un PIC hiciésemos una intermitencia utilizando un timer como por ejemplo un 555 que deja la salida a nivel alto durante todo el periodo que dure la luz encendida.

El TRIAC puede ser cualquiera siempre y cuando soporte la tensión de la red y la carga que vayáis a usar. En este caso al ser una lámpara la carga es resistiva pura, pero si queréis controlar un motor tened cuidado que la cosa se vuelve compleja.

Conectores auxiliares
Son dos, el primero, indicado como SL1 es a donde va conectado el módulo receptor de infrarrojos (hemos hablado de él en otras entradas), y será el que reciba la señal del mando.

Para terminar he incorporado un conector externo que no he usado pero podría venir bien por ejemplo para conectar un LED y que el dimmer se regule automáticamente con la luz ambiente. Mirad esta entrada para ver como se hace un sensor utilizando un simple LED: Sensor óptico sencillo con amplio rango dinámico. En su momento yo usaba esta patilla para depuración conectándola al puerto serie.

Lo bueno de usar microcontroladores es que el circuito es muy simple y siempre se puede ampliar por software. Así que si os sobra un puerto no lo dejéis sin conectar porque el día de mañana se os puede ocurrir una utilidad para él. Si ya tenéis el conector sólo os hace falta reprogramar el chip y no tenéis que hacer otra placa.


Montaje

Esta es la PCB con las pistas vistas por el lado de cobre:




Y así es como quedaría el circuito ya montado:


Observad que el condensador C1 no es de 47nF sino de 100nF. En realidad con un consumo tan bajo no es crítico, eso sí cuanta mayor capacidad más margen de maniobra tendremos.


Conexión del circuito

La tensión de red va conectada a la clema gris de la izquierda. El terminal del centro es común, el de abajo es la entrada de la tensión y el de arriba es la salida hacia la bombilla.

A la derecha está el conector de tres pines a donde va conectado el módulo IR. Se hace así para que el circuito pueda estar escondido y tan sólo quede expuesto el receptor.

Se trata de un circuito lo suficientemente pequeño como para que quepa dentro del plafón o de la caja de registro más cercana.



Por último os dejo los esquemas (para Eagle), las imágenes y un PDF con las pistas en este enlace.
El software está publicado en esta entrada.

5 comentarios:

  1. hola donde estaria el software por que estoy interesado en hacerlo

    ResponderEliminar
  2. Hola. El software no lo he puesto todavía, lo publicaré la semana que viene.

    ResponderEliminar
  3. Hola. Muchas gracias por tu artículo. Es muy interesante.

    Sería muy complejo modificar este diseño para sustituir la carga por un motor? Estoy interesado en montar este dispositivo para controlar el motor de un ventilador de techo.

    Muchas gracias.

    Un saludo.

    ResponderEliminar
  4. Hola Miguel.

    Controlar cargas inductivas con un TRIAC es complicado. La razón es que, si la carga es muy alta, cuando el triac corta la corriente se produce una tensión inversa "de rebote" en la bobina que llega a dispararlo de nuevo. Con lo cual se queda siempre encendido y no regula nada.

    Con cargas pequeñas, como el ventilador de techo que quieres conectar, no creo que te ocurra esto. Pero si llegara a ocurrir lo que tienes que hacer es calcular lo que se llama una "red snubber". Que en el caso más simple no es más que una resistencia y un condensador de valores apropiados para compensar la inducción de la bobina.

    Hay mucha información en Google, y en especial esta Nota de Aplicación de ST es muy completa:
    http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/6785.pdf

    Un saludo, y mucha suerte con el proyecto.

    ResponderEliminar
  5. Muchas gracias por tu respuesta.
    Buscaré información sobre las redes snubber.

    Como dije, la idea es manejar tanto las luces (con el circuito que propones) como las aspas del ventilador de techo.

    Iré informando de los progresos.

    Un saludo.

    ResponderEliminar

Por favor, usa mayúsculas, minúsculas, puntos, comas, interrogaciones y todo eso. Muchas gracias.