Un horno cerámico eléctrico puede verse (de manera muy simple) como una cámara de material refractario con unos elementos calefactores (habitualmente resistencias de Kanthal) que, de manera controlada, se encargan de que el interior alcance la temperatura deseada, que, dependiendo del tipo de cerámica suele estar entre los 900ºC y los 1300ºC.
De manera controlada porque, para maximizar la probabilidad de que la cocción se desarrolle con éxito, es necesario seguir unas curvas de cocción determinadas. Por ejemplo, si los primeros 100 o 120 grados se alcanzasen en seguida, la arcilla cruda podría resquebrajarse o incluso explotar debido al vapor de agua.
En general los hornos tienen un controlador más o menos programable que, mediante el encendido y apagado (debería decir conexión y desconexión) de las resistencias, intenta que la temperatura suba a la velocidad requerida en cada momento. Lo más habitual es utilizar un contactor que el circuito controlador activa o desactiva según considera necesario.
El fabricante de Kanthal indica que la vida de los elementos calefactores es más larga si, en lugar de seguir una política de on-off, se utiliza control de potencia basada en tiristor. Por esta razón nos hemos planteado probar, en primer lugar, si es posible utilizar un RPI Zero W para conducir un triac y realizar un control de potencia basado en fase (dimmer).
He elegido para hacer las pruebas PI4J. Además de que utilizo Java habitualmente, para mí tiene la ventaja de que es muy fácil compilar los programas fuera del RPI sin necesidad de poner en marcha un entorno de compilación cruzada.
Circuito básico
El esquema del circuito de control de potencia que queremos implementar es el siguiente:
Mediante un tren de pulsos controlamos la conducción del triac (en este caso un optotriac). Con cada pulso el triac comienza a conducir, y continua en este estado (con independencia de que se mantenga o no el pulso) hasta que la corriente que pasa por él sea casi nula (es decir, hasta el siguiente paso por cero de la señal sinusoidal que estamos controlando). El resultado es que la carga solo recibe corriente durante una parte de cada semiperiodo de la fuente.
Aquí me gustaría hacer una puntualización: este circuito está pensado para comprobar si es posible realizar el control de potencia, pero hay que tener cuidado de no usar tensiones muy elevadas, ya que el optotriac que estamos utilizando está diseñado para conducir otros triacs de potencia.
Para hacerlo vamos a utilizar un detector de paso por cero muy simple, que genera un pulso cada vez que el voltaje en la fuente se aproxima a cero. Este pulso será utilizado por el RPI para generar el que active el triac.
El circuito es el siguiente:
La idea es que el transistor esté en saturación durante la mayor parte del tiempo, con lo que el voltaje en el punto zero-cross será aproximadamente cero (en el BC547 estará por debajo de 0,25V). Solo cuando la señal de entrada se aproxime a cero, el transistor pasará a corte y en zero-cross habrá 3,3 V.
Mediante el puente de diodos hacemos que la señal sea siempre positiva, evitando problemas con la polarización del transistor.
La resistencia R3 se ha elegido para que la corriente de de saturación en el colector sea aproximadamente 10 mA. El ancho del pulso va a poder ajustarse (dentro de unos límites) con la resistencia total en la base: cuanto más pequeña sea esta resistencia, mayor será la corriente IB que va a entrar en la base del transistor en cada momento y, por tanto, durante más parte del ciclo estará este en saturación.
Para comprobarlo, hemos dividido la resistencia en la base en una parte fija y otra variable, y vamos a medir el ancho del pulso con la ayuda de un osciloscopio mientras cambiamos el valor de la resistencia variable. Para esta prueba tenemos que elegir R1 para limitar la corriente en la base del transistor y no correr el riesgo de quemarlo. Realmente, en este caso, al elegir su valor me he visto más limitado por la potencia de las resistencias de las que dispongo (250 mW) que por la del propio transistor (que es al menos 500 mW).
En el vídeo se puede ver cómo varía el ancho del pulso según aumentamos o disminuimos el valor de la resistencia variable. También se observa que a partir de un cierto valor (aproximadamente 2 ms) no se consigue un estrechamiento mayor. Esto se debe a la propia forma de la señal (lógicamente, tenemos que tener al menos VBE(SAT) en la salida del puente de diodos para polarizar correctamente el transisor), y es algo a tener en cuenta, pues nos puede limitar la precisión con la que podemos controlar la potencia en el triac.
En la siguiente entrada terminaremos el circuito y programaremos el RPI para que lleve a cabo la tarea.
Además de Blogger, para llevar a cabo esta entrada he utilizado los programas de código abierto Fritzing, GNU Octave, Gimp y OpenShot.
Aquí me gustaría hacer una puntualización: este circuito está pensado para comprobar si es posible realizar el control de potencia, pero hay que tener cuidado de no usar tensiones muy elevadas, ya que el optotriac que estamos utilizando está diseñado para conducir otros triacs de potencia.
Sincronización: detector de paso por cero
Para poder controlar con precisión la potencia que se suministra a la carga, el tren de pulsos debe estar sincronizado con la señal de la fuente de alimentación, ya que deseamos que la conducción comience en un momento determinado de cada semiciclo. Dicho de otra manera, los pulsos deben estar sincronizados en fase con la señal de entrada. Por esta razón, a este tipo de control de potencia también se le llama control de fase.Para hacerlo vamos a utilizar un detector de paso por cero muy simple, que genera un pulso cada vez que el voltaje en la fuente se aproxima a cero. Este pulso será utilizado por el RPI para generar el que active el triac.
El circuito es el siguiente:
La idea es que el transistor esté en saturación durante la mayor parte del tiempo, con lo que el voltaje en el punto zero-cross será aproximadamente cero (en el BC547 estará por debajo de 0,25V). Solo cuando la señal de entrada se aproxime a cero, el transistor pasará a corte y en zero-cross habrá 3,3 V.
Mediante el puente de diodos hacemos que la señal sea siempre positiva, evitando problemas con la polarización del transistor.
La resistencia R3 se ha elegido para que la corriente de de saturación en el colector sea aproximadamente 10 mA. El ancho del pulso va a poder ajustarse (dentro de unos límites) con la resistencia total en la base: cuanto más pequeña sea esta resistencia, mayor será la corriente IB que va a entrar en la base del transistor en cada momento y, por tanto, durante más parte del ciclo estará este en saturación.
Para comprobarlo, hemos dividido la resistencia en la base en una parte fija y otra variable, y vamos a medir el ancho del pulso con la ayuda de un osciloscopio mientras cambiamos el valor de la resistencia variable. Para esta prueba tenemos que elegir R1 para limitar la corriente en la base del transistor y no correr el riesgo de quemarlo. Realmente, en este caso, al elegir su valor me he visto más limitado por la potencia de las resistencias de las que dispongo (250 mW) que por la del propio transistor (que es al menos 500 mW).
Resumen
En esta primera entrada hemos visto la idea general del circuito que queremos utilizar para controlar la potencia mediante un optotriac conducido por RPI. También hemos visto cómo implementar un detector de paso por cero, que necesitamos para poder sincronizar correctamente la señal de control con la de potencia.En la siguiente entrada terminaremos el circuito y programaremos el RPI para que lleve a cabo la tarea.
Además de Blogger, para llevar a cabo esta entrada he utilizado los programas de código abierto Fritzing, GNU Octave, Gimp y OpenShot.
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