PaperDimmerPCB. Regulador de potencia por triac para microcontrolador (compatible con Arduino)

Conceptos preliminares

Después de buscar un regulador de potencia para microcontrolador mediante triac, sólo he encontrado controles binarios (encendido/apagado), o mediante circuitos especializados. Es por eso que decidí hacer un control sencillo (sólo tiene 8 niveles de potencia).

El circuito se basa en el expuesto en la web http://www.sullivan-county.com/ele/triacs.htm (muy buena por cierto).

En este circuito sustituimos el potenciómetro de 470k por 3 resistencias fijas en serie que puentearemos según nos convenga. Si los valores de las resistencias son 240K,120K y 64K obtenemos hasta 8 niveles diferentes en función de las resistencias que activemos en cada momento tal y como indicamos en la tabla siguiente:

Esto lo hacemos mediante tres optoacopladores que a la vez de aislar la parte del micro de la parte de potencia, puentean las resistencias que están situadas en paralelo con el " foto interruptor bidireccional".

NOTA: Este circuito funciona solo con motores de tipo universal (con escobillas), para regular la velocidad de motores de inducción (sin escobillas) es necesario realizar un variador de frecuencia. 

Características del circuito

Tensión de alimentación: Ninguna
Entradas: compatibles TTL
Intensidad máxima de salida: 8A
Tensión máxima de carga: picos de hasta 600 ó 800v en función del triac elegido
Niveles de tensión en carga: 8
Aislamiento entrada/salida:  7500V

NOTA: Las lámparas fluoresentes no permiten regular la intensidad de la luz con este tipo de circuitos.

Descripción

En el circuito siguiente vemos también el filtro RC que podemos eliminar si no utilizamos cargas de gran carga inductiva.

Es necesario comentar que la lógica es invertida, es decir si activamos con 5V la patilla Led1-3 se activará el fototriac del optoacoplador correspondiente, y puenteará por tanto la resistencia que tiene acoplada en paralelo.
Es decir:
Si Led1=Led2=Led3=0v => R=R7+56+120+270
Si Led1=1; Led2=Led3=5v => R=R7+0+120+270
Si Led1=Led2=Led3=5v => R=R7+0+0+0

Utilizando 3 Salidas de Arduino conectadas a las entradas Led1-Led3 conseguimos graduar la potencia en 8 niveles (para mí son suficientes), si fuera necesario una regulación más fina se podrían añadir más optoacopladores. Con 1 más obtendríamos 16 niveles, pero habría que redimensionar las resistencias de entrada de los Leds para que los intervalos sean proporcionales, y la suma de todas las resistencias en serie sea similar a la del circuito original (R7+~470K).

La placa por el lado de componentes:

Y por el lado de las pistas:

Al estar trabajando con tensiones de 220V (¡¡ con peligro de muerte !!) creo que es mejor realizar una pista de cobre.
Una vez realizado el circuito debes intruducirlo en una caja de plástico que impida contactos accidentales a la zona de alta tensión, y sobre todo no toques el circuito si está enchufado a la red.

Realización

Como soy muy vago, para no andar con lámparas, sosa, revelar,...  Yo utilizo un medio "txapucero":
 

1. Pega una copia empresa en papel del PaperDimmerPCB a la placa el lado pistas sobre el cobre, para que los bordes de los taladros no tengan rebabas. Antes de nada mide el tamaño de la regla impresa en el documento y comprueba que tiene la longitud indicada, si no es así es que la impresora a modificado la escala de la página, haz los retoques necesarios para que la escala sea 1/1. 
2. Taladra los agujeros. Todos están en una rejilla de 2,54mm, de forma que si quieres garantizar que no se te escape ningún agujero, puedes pegar el dibujo de las pistas sobre una placa perforada de prototipos, y esta a su vez sobre la placa de cobre. Utilizando la placa perforada como plantilla. Para alinear el dibujo sobre la placa perforada puedes ver los agujeros al trasluz, o utilizar algún componente como referencia (zócalo, regleta de pines...)
3. Despega el papel y limpiar el cobre de todo resto de pegamento.
4. Usando los agujeros como referencia, con un rotulador permanente dibujo las pistas.
5. Ahora si que hay que atacar con ácido la placa (bien cloruro férrico o clorhídrico y agua oxigenada), mira en internet cómo hacerlo.
6. Una vez limpia con agua y seca la placa, pega sobre ella la impresión de papertrino del lado de componentes.( Yo pego sobre ella "aeronfix" transparente para que no se manche)
7. Taladra con una aguja los agujeros
8. Encola la placa (por el lado de la fibra ;-) ) y la pegatina del PaperDimmerPCB
9. Utiliza unos agujeros cerca del borde exterior como referencia para el encolado( yo he puesto dos regletas de pines en los dos conectores de los extremos).
10. Y suelda los componentes.

Componentes

• R1-3    Resistencia 1K 1/4W (3x0,02=0,06€)
• R4       Resistencia 56K 1/2W (0,02€)
• R5       Resistencia 120K 1/2w (0,02€)
• R6       Resistencia 270K 1/2w (0,02€)
• R7       Resistencia 5K6 1/2w (0,02€)
• R8       Resistencia 36 1/2W (0,02€)
• C1-2    Condensador 100nF*/400V (2x0,07=0,14€)
• D1       Diac BR100 (0,4€)
• Tr1     Triac BT137 (0,5)
• Ic1-3   Optoacoplador MOC3021 (3x0,34=1,02€)
• 1         Disipador 2906.6 TO220 (0,28€)
• 3         Zocalos 6P (3x0,08=0,26€)
• 1         Conector bornas CI 4P paso 2x2,54 (~1€)
• 1         Conector hembra 4 espadines 2,54 (~0,2€)
• 1         Tornillo y tuerca M3 (~0,2€)
• 1         Placa de fibra de vidrio con cobre (~0,5€)   

(* Gracias Oriel !!)
Los precios son aproximados (2010) salvo los especificados con ~ que los desconozco.
La placa costaría menos de 5 €

Nota: es importante que los condensadores soporten 400v como mínimo y que las resistencias R4 a R8 sean de 1/2 W (Tensión máxima 350v), ya que las de 1/4 W solo soportan una tensión máxima de 300 V.

NOTA

Precios orientativos y aproximados para que sepas si hablamos de millones de dólares o de céntimos de euro, sin IVA y suministrados por Biltron - 2010

(No tengo nada que ver con Biltron, pero como son muy majos les hago publicidad). 

Resultado

PaperDimmerPCB lado componentes

PaperDimmerPCB lado componentes

PaperDimmerPCB lado cobre

Ejemplos de utilización

A continuación dos ejemplos de como controlar el triac PaperDimmerPCB mediante Arduino (o Paperduino).

En el primer ejemplo denominado AutopaperDimmer encenderemos una luz de manera gradual cíclicamente. 

/*
  AutoPaperDimmer_00
 
 Cada segundo incrementa un paso (8 en total) la potencia de salida, y empieza de nuevo.
 
 El circuito:
 
 LED conectado entre el pin 13 y masa.
  * Nota: La mayoría de las placas Arduino tienen preparado un led conectado al pin 13.
 
 Es necesario conectar las patillas de:
 Arduino  Papertrino
   D2        Led1
   D3        Led2
   D4        Led3
   GND       GND
  
 Creado el 23 de Junio de 2010
 Por Iñigo Zuluaga
 
http://txapuzas.blogspot.com/
 
*/

// DEFINICION DE VARIABLES

int LedPin =  13;        // LED conectado en placa al pin digital 13
int Led1 = 2;            // Entrada Led1 del PaperDimmer
int Led2 = 3;            // Entrada Led2 del PaperDimmer
int Led3 = 4;            // Entrada Led3 del PaperDimmer
int Temp =600;           // Milisegundos de espera
boolean Sal1 = LOW;      // Valor de la salida Led1
boolean Sal2 = LOW;      // Valor de la salida Led2
boolean Sal3 = LOW;      // Valor de la salida Led3
boolean Sal13 = LOW;     // Valor de la salida LedPin

// FUNCION INICIAL

void setup()   {               
  // Inicializar las salidas:
  pinMode(LedPin, OUTPUT);   
  pinMode(Led1, OUTPUT); 
  pinMode(Led2, OUTPUT); 
  pinMode(Led3, OUTPUT);   
}

// CICLO PRINCIPAL

void loop() {
   for (int cont1=0;cont1<2;2;cont1++)  {        // Realiza un ciclo 2 veces
      for (int cont2=0; cont2<2;2; cont2++)  {   // Realiza un ciclo 2 veces
         for (int cont3=0; cont3<2;2; cont3++) { // Realiza un ciclo 2 veces
            delay(Temp);                       // Espera           
            digitalWrite(LedPin, Sal13);       // Lo lleva a la salida
            digitalWrite(Led1, Sal1);          // lleva a cada salida su valor
            digitalWrite(Led2, Sal2);
            digitalWrite(Led3, Sal3);         
            Sal13=!Sal13;                      // Parpadeo del led 13
            Sal1=!Sal1;                        // Cambia el valor de la entrada Led1 del PaperDimmer
          }
      Sal2=!Sal2;                              // Cambia el valor de la entrada Led2 del PaperDimmer
      } 
    Sal3=!Sal3 ;                               // Cambia el valor de la entrada Led3 del PaperDimmer
    }
 }

En este segundo ejemplo denominado PaperDimmer, regularemos la intensidad de luz de una lámpara mediante un potenciómetro conectado a Arduino.

/*
  PaperDimmer

 Regula la intensidad de carga (luz) en función del estado de un potenciómetro.

 EL CIRCUITO
 * Potenciómetro (10K lin)
   - Patilla central del pot a  entrada análogica 0
   - Una patilla lateral a masa (GND)
   - La otra patilla lateral a 5V
* LED conectado entre el pin 13 y masa.
  * Nota: La mayoría de las placas Arduino tienen un led conectado al pin 13.
* Papertrino
Es necesario conectar las patillas de:
 Arduino  Papertrino
   D2        Led1
   D3        Led2
   D4        Led3
   GND       GND
  
 Creado el 25 de Junio de 2010
 Por Iñigo Zuluaga

http://txapuzas.blogspot.com/
 
*/

// DEFINICION ENTRADAS/SALIDAS

int LedPin =  13;         // LED conectado en placa al pin digital 13
int Led1 = 2;             // Entrada Led1 del PaperDimmer
int Led2 = 3;             // Entrada Led2 del PaperDimmer
int Led3 = 4;             // Entrada Led3 del PaperDimmer
int PotPin = 0;           // La entrada analógica 0 para el potenciometro

// DEFINICION DE VARIABLES

int Temp = 100;           // Espera siempre mayor que 20 (50Hz => 20ms)
int ValorPot = 0;         // Valor leído del potenciómetro
int ValPapertrino = 0;    // Valor transmitido al PaperDimmer
boolean ValLedPin = HIGH; // Valor de la salida LedPin13 del Arduino
int ValLed1 = 0;          // Valor de la entrada Led1 del PaperDimmer
int ValLed2 = 0;          // Valor de la entrada Led2 del PaperDimmer
int ValLed3 = 0;          // Valor de la entrada Led3 del PaperDimmer

// FUNCION INICIAL

void setup()   {               
  // Inicializar las salidas:
  pinMode(LedPin, OUTPUT);   
  pinMode(Led1, OUTPUT); 
  pinMode(Led2, OUTPUT); 
  pinMode(Led3, OUTPUT);   
}

// CICLO PRINCIPAL

void loop() {
  ValLedPin=!ValLedPin;           // invierte el valor del pin13
  digitalWrite(LedPin,ValLedPin); // y muestra que el programa funciona
  delay(Temp);
  ValorPot = analogRead(PotPin);   // Lee el valor del potenciómetro   
  ValPapertrino = ValorPot/(1024/7);   //  Escala el valor del pot a 0-7

  ValLed1 = ValPapertrino & 1;    // Enmascara el valor del triac con 001
  if (ValLed1 == 1) {             // si tiene un valor de 1
    digitalWrite(Led1,HIGH);      // activa la entrada Led1 del PaperDimmer
  }
  else {                          // si el valor es distinto a 1
    digitalWrite (Led1,LOW);      // desactiva Led1
  }

  ValLed2=ValPapertrino & 2;      // Enmascara el valor del triac con 010
  if (ValLed2 == 2) {             // si tiene un valor de 2
    digitalWrite (Led2,HIGH);     // activa la entrada Led2 del PaperDimmer
  }
  else {                          // si el valor es distinto a 2
    digitalWrite(Led2,LOW);       // desactiva Led2
  }
 
  ValLed3=ValPapertrino & 4;      // Enmascara el valor del triac con 100
  if (ValLed3 == 4) {             // si tiene un valor de 4
    digitalWrite (Led3,HIGH);     // activa la entrada Led3 del paperDimmer
  }
  else {                          // si el valor es distinto a 4
    digitalWrite (Led3,LOW);      // desactiva Led3
  }
 }

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