Control con dispositivos
Acá se junta todo: un sensor entrega una tensión, el conversor la vuelve número, el programa decide, y una salida aislada maneja potencia de red. Los dos casos del programa —temperatura e iluminación— son los más comunes y los que mejor muestran la cadena completa.
01La cadena de control
Todo sistema de control automático tiene los mismos cinco eslabones, y cada uno aporta su error y su retardo:
02Medir temperatura
| Sensor | Salida | Rango | Qué tiene de particular |
|---|---|---|---|
| NTC | Resistencia | −40 a 150 °C | Barato y sensible, pero no lineal: hace falta tabla o ecuación. Se lee con un divisor. |
| LM35 | 10 mV/°C | 2 a 150 °C | Lineal y directo al A/D. No mide bajo cero sin fuente negativa. |
| PT100 | 100 Ω a 0 °C | −200 a 600 °C | El patrón industrial: muy estable y lineal. Necesita puente y amplificador de instrumentación. |
| Termocupla | ~40 µV/°C (tipo K) | −200 a 1200 °C | Para hornos. Señal chiquísima: amplificador dedicado y compensación de junta fría. |
| DS18B20 | Digital, 1-Wire | −55 a 125 °C | Ya viene calibrado y con conversor adentro: se conecta con un solo cable de datos. |
NTC de 10 kΩ a 25 °C con B = 3950, en divisor con una resistencia fija de 10 kΩ a 5 V, leído con un A/D de 10 bits.
- A 25 °C: R = 10 kΩ. El divisor entrega 5 × 10/(10+10) = 2,50 V → 512 cuentas.
- A 50 °C (323,15 K): el exponente vale 3950 × (1/323,15 − 1/298,15) = −1,025, así que R = 10 k × 0,359 = 3,59 kΩ. Tensión = 5 × 3,59/13,59 = 1,32 V → 270 cuentas.
- Entre 25 y 50 °C la lectura cambia 242 cuentas: casi 10 cuentas por grado. Resolución de sobra.
En el programa no se despeja el logaritmo: se guarda una tabla de cuentas contra temperatura y se interpola. Es más rápido y no arrastra la biblioteca matemática, que en un micro chico ocupa media Flash.
Un NTC de 10 kΩ con 2,5 V disipa 0,6 mW; el encapsulado se calienta y falsea su propia medición. Se corrige alimentando el divisor sólo durante la medición —desde una pata del micro— o subiendo las resistencias. Es un error clásico que aparece como «el sensor lee siempre un grado de más».
03Control todo-nada con histéresis
Es el control más simple y el más usado: si la temperatura está por debajo de la consigna, se enciende; si está por encima, se apaga. Hecho así, tal cual, no funciona: en el umbral el ruido y las variaciones mínimas hacen conmutar el relé decenas de veces por minuto hasta destruirlo.
// Control con histéresis: dos umbrales, no uno
if (temp < CONSIGNA - HISTERESIS) calefactor(1); // 24 °C: enciende
if (temp > CONSIGNA + HISTERESIS) calefactor(0); // 26 °C: apaga
// Entre 24 y 26 no se hace nada: se conserva el estado anterior- Muy angosta: temperatura muy estable, pero el actuador conmuta todo el tiempo. Un relé mecánico tiene del orden de 100 000 maniobras: a una por minuto se agota en dos meses.
- Muy ancha: pocas conmutaciones, pero la temperatura oscila y puede no servir para el proceso.
- Regla práctica: empezar con un 2 % del rango de trabajo y ajustar mirando cuántas veces por hora conmuta.
- Conviene además un tiempo mínimo de encendido y de apagado: protege compresores y motores, que no toleran arranques seguidos.
El control todo-nada siempre oscila alrededor de la consigna. Si el proceso exige mantener la temperatura dentro de una décima de grado —un horno de laboratorio, una soldadora de reflow— hace falta un control proporcional-integral-derivativo, que en vez de decidir encendido o apagado calcula cuánta potencia entregar, y la aplica con PWM lento o con control por ciclos enteros. El PID se desarrolla completo en 7° año, dentro de Electrónica Industrial II.
04Control de iluminación
El sensor típico es un LDR en divisor, o un fotodiodo si hace falta velocidad o linealidad. Lo interesante está en el actuador: no se regula igual una lámpara incandescente que un LED.
| Carga | Método | Cuidados |
|---|---|---|
| LED de continua | PWM a más de 200 Hz, o corriente regulada | Por debajo de 100 Hz se ve el parpadeo; si se va a filmar, conviene más de 1 kHz. El brillo percibido no es proporcional al ciclo de trabajo: el ojo responde de manera logarítmica. |
| Incandescente en red | Recorte de fase con triac | Es el dimmer clásico. Genera interferencia y necesita filtro. Todo el circuito está a potencial de red. |
| LED de red («dimeable») | Sólo si el fabricante lo declara | Una lámpara LED común en un dimmer de triac parpadea, zumba o no enciende: su fuente conmutada no tolera el recorte. |
| Tubo fluorescente | Balasto electrónico regulable | No se regula por fase. |
| Calefactor o carga térmica | Ciclos enteros con cruce por cero | Sin interferencia y sin parpadeo visible, porque la inercia térmica promedia. |
Para disparar un triac en el instante correcto, el micro necesita saber cuándo la red pasa por cero. Se detecta con un optoacoplador alimentado por la red a través de una resistencia grande: entrega un pulso 100 veces por segundo. A partir de ese pulso se cuenta el retardo —de 0 a 10 ms— y se dispara. Ese mismo pulso sirve además como base de tiempo de 50 Hz, muy exacta, y como detector de corte de energía.
05Manejar potencia con seguridad
Contactos reales: sirve para continua y alterna, y aísla por construcción. Necesita transistor, diodo volante y una corriente de bobina de decenas de miliamperes. Se desgasta, es lento (milisegundos) y hace ruido, pero tolera sobrecargas.
Un optotriac más un triac. Sin partes móviles, silencioso, millones de maniobras, y con cruce por cero incorporado en la mayoría. A cambio: sólo alterna, disipa calor (necesita disipador) y si falla lo hace en cortocircuito, con la carga encendida.
Entre el circuito del microcontrolador y cualquier cosa conectada a la red tiene que haber una barrera de aislación: optoacoplador, optotriac o la bobina de un relé. Nunca una conexión directa, ni siquiera «sólo para la señal de control». En la plaqueta, esa barrera se respeta con 2,5 a 4 mm de separación y, si hace falta, una ranura fresada bajo el componente (PCB). Un MOC3021 para disparar el triac y un 4N25 para leer el cruce por cero resuelven casi todos los casos.
Un equipo que mantiene 24 a 26 °C con una resistencia de 1500 W en 220 V:
- Sensor: NTC de 10 k en divisor, alimentado desde una pata para evitar autocalentamiento.
- Lectura: A/D de 10 bits, promedio de 16 muestras, tabla de conversión a décimas de grado.
- Decisión: histéresis de ±1 °C y tiempo mínimo de 60 s en cada estado.
- Actuador: la resistencia consume 1500/220 = 6,8 A. Se usa un relé de estado sólido de 25 A —se sobredimensiona por el pico de arranque y para que caliente menos— con disipador.
- Seguridad: termostato mecánico de rearme manual en serie, independiente del programa. Si el micro se cuelga con la salida encendida, ese termostato corta igual.
El punto 5 no es opcional: ningún programa es una protección. La seguridad se cablea.
06En el laboratorio
Medir la resistencia del NTC sumergiéndolo en agua a distintas temperaturas, con termómetro patrón. Armar la tabla y graficarla. Comparar con la ecuación exponencial: se verá que ajusta bien en el centro y peor en los extremos, que es exactamente por lo que se usan tablas.
Programar el control con histéresis de ±0,2 °C y contar cuántas veces conmuta el relé en cinco minutos. Repetir con ±1 °C y con ±2 °C. Graficar conmutaciones contra ancho de banda y estimar la vida útil del relé en cada caso. Es la práctica que convierte una decisión de diseño en un número.
Regular un LED con PWM del 0 al 100 % en pasos iguales y anotar a partir de qué punto se nota el cambio. Después aplicar una curva cuadrática al ciclo de trabajo y repetir: el cambio se percibe parejo. Es la corrección gamma, y explica por qué las regulaciones lineales «no se sienten lineales».
Con transformador de aislación y tensión reducida, detectar el cruce por cero con un optoacoplador y medir en el osciloscopio la separación entre pulsos: deben ser 10 ms. Usar ese pulso para disparar un triac con retardo variable y verificar el recorte de fase sobre una lámpara chica.
Sobre el termostato armado, provocar un cuelgue del micro con la salida encendida (por ejemplo, un lazo infinito) y comprobar que el termostato mecánico en serie corta igual. Discutir qué otras fallas no cubre el software: relé pegado, sensor desconectado, cable cortado.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El relé conmuta sin parar en el umbral | Falta histéresis, o es demasiado angosta para el ruido de la medición. |
| El sensor lee un grado de más | Autocalentamiento del NTC: bajar la corriente o alimentar el divisor sólo al medir. |
| La temperatura leída salta al encender la carga | Ruido conducido por la alimentación o acoplado al cable del sensor. Filtrar, apantallar y no compartir la masa de potencia. |
| El micro se reinicia cuando conmuta el relé | Falta el diodo volante, o el capacitor de desacople, o la fuente no soporta el pico de la bobina. |
| La lámpara LED parpadea con el dimmer | No es una lámpara regulable: su fuente conmutada no tolera el recorte de fase. |
| El triac queda encendido y no apaga | Carga inductiva sin snubber, o disparo permanente por ruido en la compuerta. |
| El brillo cambia de golpe al principio y casi nada al final | Falta corrección gamma: la percepción del ojo no es lineal. |
| El horno sobrepasa la consigna y después baja de más | Inercia térmica: el control todo-nada siempre sobrepasa. Con PID se corrige. |
| Con el sensor desconectado el equipo calienta al máximo | El programa no valida la lectura. Una lectura de 0 o de fondo de escala debe interpretarse como falla y apagar. |
08Autoevaluación
¿Qué diferencia hay entre mando y control?
El control tiene realimentación: mide el resultado y corrige. El mando actúa a ciegas. Encender un calefactor con una llave es mando; mantener 25 °C midiendo la temperatura es control.
¿Por qué un control todo-nada necesita histéresis?
Porque con un solo umbral, el ruido y las variaciones mínimas alrededor de la consigna hacen conmutar el actuador continuamente. Con dos umbrales queda una banda muerta en la que no se hace nada.
Un NTC de 10 kΩ en divisor con 10 kΩ, a 25 °C y con 5 V: ¿qué tensión y qué cuentas da en un A/D de 10 bits?
Las dos resistencias son iguales: 2,50 V, que sobre 5 V de referencia son 512 cuentas de 1024. Es el punto medio exacto de la escala.
¿Por qué se prefiere una tabla antes que la ecuación del NTC?
Porque calcular exponenciales y logaritmos en un micro chico es lento y arrastra la biblioteca matemática, que ocupa mucha Flash. Una tabla con interpolación lineal da el mismo resultado práctico en unos pocos microsegundos.
¿Qué ventajas y desventajas tiene un relé de estado sólido frente a uno mecánico?
A favor: sin partes móviles, silencioso, millones de maniobras, conmuta en el cruce por cero. En contra: sólo alterna, disipa calor y necesita disipador, y cuando falla suele quedar en cortocircuito, con la carga encendida.
¿Para qué sirve detectar el cruce por cero?
Para saber cuándo empieza cada semiciclo y poder disparar el triac con el retardo que corresponde al recorte de fase. De paso, da una base de tiempo de 100 pulsos por segundo muy estable y avisa si se corta la energía.
¿Por qué el brillo de un LED no se percibe proporcional al ciclo de trabajo?
Porque el ojo responde de manera aproximadamente logarítmica: distingue muy bien los cambios en niveles bajos y muy poco en los altos. Se corrige aplicando una curva —gamma— al valor de PWM.
Una resistencia de 1500 W en 220 V: ¿qué corriente conmuta el actuador?
I = P/V = 1500/220 = 6,8 A. Se elige un relé o SSR bastante mayor —15 o 25 A— para que trabaje frío y tolere el pico inicial.
¿Qué debe hacer el programa si el sensor se desconecta?
Detectarlo: una lectura en cero o en fondo de escala no es una temperatura válida. Ante eso hay que apagar la carga y avisar, nunca seguir controlando con un dato imposible.
¿Por qué la seguridad no puede depender del programa?
Porque el programa puede colgarse, la salida puede quedar activada y el relé puede pegarse. La protección tiene que ser independiente y cableada: un termostato de rearme manual en serie, un fusible térmico, un limitador mecánico.