Señales digitales en circuitos de ascensores

Los pormenores de los equipos de señal mixta

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Las señales analógicas y digitales son notablemente diferentes y requieren diferentes herramientas, técnicas y conocimientos para trabajar con ellas. Algunos dicen que las señales analógicas son más fáciles de entender, mientras que otros se sienten más cómodos en el dominio digital. Cuando se trata de equipos de señal mixta, como un variador de frecuencia variable (VFD) y un controlador de movimiento de elevador, la experiencia en ambos es esencial.

Un ascensor es en realidad un sistema de señal mixta. Lo que esto significa es que funciona con señales digitales y analógicas. Dispositivos pequeños y relativamente simples, generalmente integrados en circuitos integrados (IC), convierten una señal analógica en una señal digital. Se conocen como convertidores de analógico a digital (ADC). Los convertidores de digital a analógico (DAC) realizan el proceso inverso. También están normalmente integrados en circuitos integrados. Estas conversiones ocurren muy rápidamente sin pérdida de información, como veremos, siempre que se cumplan ciertas condiciones. Discutiremos estas restricciones y cómo se cumplen después de definir las señales analógicas y digitales y describir sus funciones en los sistemas de ascensores.

Este es un ejemplo de una señal analógica. La mayoría de la gente lo reconoce como la onda sinusoidal del voltaje eléctrico que se suministra a las instalaciones residenciales, comerciales e industriales de todo el mundo. No es realmente la apariencia de una forma de onda de CA. Más bien, es un gráfico de la amplitud de la forma de onda de CA trazada contra el tiempo en coordenadas cartesianas. Una forma de onda real, por ejemplo la del sonido, consta de variaciones periódicas de la densidad del aire que se mueve a unas 700 mph. Estos cambios en los mecanismos de impacto de la densidad del aire en nuestros oídos. Son formas de onda analógicas que se cambian a señales digitales para su procesamiento en el cerebro. Del mismo modo, las señales analógicas eléctricas se pueden dibujar en coordenadas cartesianas y tienen una apariencia similar a las ondas de sonido, aunque los cambios que se están mapeando son eléctricos.

La característica definitoria de las formas de onda analógicas es que son continuas, con transiciones suaves, a menos que la señal original salte abruptamente. De hecho, las formas de onda analógicas se ajustan con precisión a las señales originales. Por eso se llaman analógicos, son análogos.

Esta es la forma de onda de una señal digital. Tenga en cuenta que tiene tiempos de subida y bajada (decaimiento) muy rápidos. Entre estas transiciones casi instantáneas hay niveles altos y bajos relativamente planos, en este caso distorsionados por la presencia de ruido. Si la amplitud del ruido no es suficiente para evitar que el receptor distinga niveles lógicos altos y bajos, junto con el transmisor reconstruirá este y otros pulsos para que vuelvan a ser formas de onda ideales. En consecuencia, pueden propagarse a través de cualquier número de transmisores y receptores sucesivos sin pérdida de información, todo ello a pesar de que se pueda añadir un nuevo ruido aguas abajo, siempre que no sea abrumador. Esa es una ventaja decisiva para la transmisión digital. En analógico, el ruido es acumulativo, mientras que en digital se elimina entre etapas.

¿Ha visto una transmisión de televisión por satélite durante una fuerte lluvia o tormenta de nieve? La imagen es perfectamente clara, es decir, el control automático de ganancia puede seguir el ritmo de la señal que se debilita, hasta que en cierto punto la imagen se rompe, se congela, se fractura y se ve muy extraña. Esto se conoce como pixelación y es una consecuencia de que la etapa digital ya no puede distinguir entre niveles lógicos altos y bajos lógicos en el tren de pulso digital.

Existe un número en constante evolución de familias lógicas digitales, con diferentes niveles lógicos altos y bajos y diferentes niveles de umbral en los que se distinguen:

• Lógica de diodo
• Lógica de resistencia-transistor
• Lógica transistor-transistor
• Lógica acoplada por emisor
• Lógica de inyección integrada  

Hay muchos otros. Cuando el nombre de una familia lógica tiene guiones, como en la lógica de resistencia-transistor, el primer dispositivo es aplicable a la entrada y el segundo dispositivo es aplicable a la salida.

Las características de los circuitos integrados digitales incluyen un voltaje de entrada de alto nivel, que la puerta reconoce como lógica alta (1); un voltaje de entrada de bajo nivel, que es reconocido por la puerta como lógica baja (0); un voltaje de salida de alto nivel, que es el voltaje mínimo disponible en la salida correspondiente a la lógica alta (1); y un nivel de voltaje máximo disponible en la salida correspondiente a la lógica baja (0).

El transistor de efecto de campo (FET), sucesor del transistor de contacto puntual y antepasado de su subvariante, el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET), consta de un canal activo a través del cual fluyen portadores de carga, electrones o huecos desde the source al desagüe. El tamaño, la forma y la conductividad se modulan (aplicación analógica) o se conmutan (aplicación digital) por medio del voltaje aplicado a los terminales de puerta y fuente. Los tres terminales FET son:

• Fuente (S), por donde entran los portadores al canal. Corriente que ingresa al canal en the Source se designa IS.
• Drenaje (D), a través del cual los portadores de carga salen del canal. La corriente que sale del canal en el drenaje se designa como ID. El voltaje de drenaje a fuente es VDS.
• Gate (G) es el terminal que modula (analógico) o conmuta (digital) IS o ID.

La fuente, el drenaje y la puerta en el FET son análogos al emisor, el colector y la base en el transistor convencional y el cátodo, la rejilla y la placa (ánodo) en el triodo de tubo de vacío. Un cuarto terminal, presente en la mayoría de los FET, se conoce como Cuerpo, Base o Sustrato. Sirve para sesgar el FET.

El FET anticipó la invención y el uso muy generalizado del MOSFET. La principal diferencia es que el MOSFET tiene un aislamiento de compuerta más robusto y es adecuado para aplicaciones de alto voltaje, hasta 2000 V.        

Con mucho, la familia lógica más común utilizada actualmente es la lógica de semiconductores de óxido metálico (MOS) debido al tamaño pequeño del semiconductor, la alta densidad de transistores dentro de un IC, el bajo consumo de energía y la inmunidad al ruido en un paquete muy pequeño.

Lo que es único acerca de un MOSFET es la puerta fuertemente aislada. Esta fina capa electrolítica se caracteriza por una alta capacitancia y una baja conductancia. En un momento, la capa electrolítica MOSFET se fabricó con óxido de metal. Esto ha sido reemplazado por no metales, pero el nombre persiste. Debido a esta sólida capa aislante en la compuerta, la señal de entrada puede consistir en un voltaje de alta impedancia que, aunque prácticamente no consume corriente, provoca un campo eléctrico fluctuante para regular el ancho y la conductividad del canal que conecta la fuente y el drenaje. Por lo tanto, la amplificación o la conmutación se pueden lograr como en los transistores estándar pero con una disipación de calor, un consumo de energía y una susceptibilidad al ruido casi nulos.       

El MOSFET es actualmente el dispositivo fundamental dentro de un IC con alrededor de 30 sextillones (30 mil billones) de unidades instaladas en placas de circuitos hasta la fecha. Esta gran cantidad se debe al hecho de que se pueden grabar más de mil millones de MOSFET en un solo sustrato de IC y, por supuesto, la cantidad total de dispositivos industriales y de consumo comercializados anualmente en todo el mundo también es de miles de millones. ¡Piense en todos los teléfonos, computadoras y electrodomésticos vendidos cada año!             

En un controlador de movimiento de ascensor, podría esperar encontrar varios miles de millones de MOSFET, por lo que son demasiado pequeños para verlos o repararlos. Pero al tomar la decisión de reemplazar una placa de circuito presuntamente defectuosa, debe comprender lo que sucede electrónicamente, y ahí es donde los MOSFET entran en escena. Los MOSFET se utilizan con mayor frecuencia en la configuración de Semiconductor de óxido de metal complementario (CMOS).

Actualmente, casi todos los circuitos integrados están configurados para CMOS. CMOS se utiliza en aplicaciones analógicas y digitales, especialmente como sensores analógicos en cámaras digitales. La característica que define a los dispositivos digitales CMOS es el bajo consumo de energía. Debido a que uno de los pares en serie está apagado mientras que el otro está encendido, la configuración CMOS consume muy poca corriente, excepto durante breves transiciones durante la conmutación. En consecuencia, se disipa poco calor, lo que permite una miniaturización excepcional y una integración a gran escala.

La operación CMOS consiste en todos los semiconductores de óxido de metal de tipo p que tienen energía de una entrada de otro transistor p-MOS o de la fuente de voltaje. Asimismo, todos los transistores n-MOS reciben energía de otro transistor n-MOS o de tierra. En el transistor p-MOS, hay baja resistencia desde la fuente hasta el drenaje cuando se aplica un bajo voltaje a la puerta y alta resistencia cuando la puerta ve un alto voltaje. La reducción de corriente, casi a cero, se logra porque los n-MOSFET y los p-MOSFET están en configuración complementaria con ambas puertas y ambos drenajes conectados. El alto voltaje aplicado a las compuertas hace que los n-MOSFET conduzcan y los p-MOSFET no lo hagan, y un bajo voltaje en las compuertas provoca lo contrario.

Las compuertas están en paralelo mientras que los MOSFET p y n están en serie, por lo que hay poca disipación de corriente o calor, excepto por picos muy breves en las transiciones, lo que puede ser problemático, especialmente a altas frecuencias, debido a la interferencia de RF. en otro lugar del equipo o cerca. Esto se puede mitigar con un blindaje del tamaño adecuado. 

Si va a trabajar en circuitos digitales, es seguro que debe tener un conocimiento práctico de las puertas lógicas. Pueden ser dispositivos idealizados o físicos. Ambos se basan en la función booleana, que es una operación lógica realizada como una o más entradas binarias con una única salida binaria.

Las puertas lógicas generalmente se construyen usando diodos o transistores. Las implementaciones físicas alternativas se basan en tubos de vacío, relés electromagnéticos, lógica de fluidos, lógica neumática, óptica y entidades cuánticas. Los multiplexores, los registros, las unidades lógicas aritméticas y la memoria de la computadora se componen principalmente de puertas lógicas, de las cuales puede haber más de 100 millones en un chip. Desde la década de 1990, la mayoría de las puertas lógicas se fabrican con tecnología CMOS, utilizando transistores n-MOS y p-MOS.

Las principales puertas lógicas son:

Mesa de la verdad

• Entrada A: 0     
• Q de salida: 0
• Entrada A: 1
• Q de salida: 1

Mesa de la verdad

• Entrada A: 0    
• Entrada B: 0
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• Entrada B: 1
• Q de salida: 1

Notas:

• O: cualquier entrada alta creará una salida alta
• NOR: cualquier entrada alta creará una salida baja
• Y: cualquier entrada baja creará una salida baja
• NAND: cualquier entrada baja creará una salida alta 

Un flip-flop tiene otros dos nombres menos caprichosos, pestillo y multivibrador biestable. Es el componente básico de la memoria y, en su forma binaria más fundamental, tiene dos estados: activado (1) y desactivado (0). El flip-flop se caracteriza además por el hecho de que se puede hacer que cambie de estado mediante la aplicación de una señal a una entrada de control. Cuando se apaga, el dispositivo recuerda su estado anterior.            

Para toda esta funcionalidad, el flip-flop puede almacenar solo un bit de información 0. Todo esto se conoce como lógica secuencial. El dispositivo tiene muchas aplicaciones, incluido el conteo de pulsos y la sincronización de señales de entrada de temporización variable con una señal de temporización de referencia.          

Un flip-flop puede activarse por nivel o por flanco. Los flip-flops activados por nivel son asincrónicos, mientras que los flip-flops activados por flanco están cronometrados. Todos los flip-flops se componen de puertas.

Los sistemas síncronos están necesariamente sincronizados. Los flip-flops constituyentes ignoran sus entradas, excepto en la transición de una señal de reloj o pulso. Luego, el flip-flop cambia o retiene su señal de salida, según los valores de las señales de entrada en la transición. Pueden invertir la salida en el borde de reloj ascendente o descendente.         

El amplificador debe ser no inversor. Esto se puede lograr conectando en cascada un número par de etapas de inversión.                

Los flip-flops comunes son set-reset (SR), delay (D) y toggle. El más simple de estos tipos es SR, que está construido por dos puertas NOR o NAND interconectadas. 

En el servicio de ascensores, a menudo nos fijamos en el conjunto del motor VFD. En la sección ascendente y media del VFD, el rectificador y el bus de CC, el circuito es analógico. Finalmente, en la etapa del rectificador y en el motor, es digital. Algunos dicen que lo analógico es más fácil de entender, mientras que para otros lo digital tiene más sentido. Para trabajar en el ensamblaje del motor VFD, se requiere familiaridad con ambos. El VFD es lo que se conoce como un dispositivo de señal mixta.

Comencemos en la entrada VFD. El VFD y el motor generalmente están ubicados en la sala de máquinas, a menos que la instalación no tenga sala de máquinas, en cuyo caso el motor está ubicado en la parte superior del automóvil y el controlador de movimiento bloqueado y el VFD están ubicados en el corredor del piso superior.   

En cualquier caso, un alimentador eléctrico con un gabinete de desconexión está ubicado a la vista del motor y se alimenta energía conmutable al VFD. Esta energía a menudo consiste en un suministro trifásico de 480 V, que debe medirse cuidadosamente con un voltímetro sin contacto para asegurarse de que esté dentro del 3 % del voltaje nominal o del 5 % con el motor funcionando a plena carga, si es posible. . Las herramientas y los procedimientos para trabajar con seguridad en el VFD se describen a continuación.

La sección del rectificador consta de seis diodos y tres condensadores, a veces aumentados por inductores. Estos componentes deben revisarse, evaluarse y reemplazarse según sea necesario.                   

En un sistema de 480 V, el bus de CC transporta 1.414 veces el voltaje de línea, aproximadamente 678 V. ¿Cómo es esto posible? La respuesta simple es que la salida de un rectificador de onda completa siempre es mayor que la entrada. Lo que está buscando es una CC agradable, pequeña y sin ondulaciones si la etapa del inversor y el motor deben funcionar de manera confiable. Compruebe el bus de CC con un osciloscopio portátil alimentado por batería o un voltímetro en modo CA. Estos instrumentos deben ser sensibles a una forma de onda de CA pequeña que se desplaza sobre la CC de alto voltaje. Si ve una ondulación, regrese a la sección del rectificador y mire más de cerca los capacitores y cualquier inductor en el circuito.

Luego, proceda a la etapa del inversor. Aquí, lo principal que sucede es que el voltaje directo de CC se convierte en un pulso de CC de frecuencia variable y ciclo de trabajo que puede regular la velocidad del motor de CA.

Muchos VFD tienen lecturas que informan una condición de falla por medio de un código de error como "F3", que se puede interpretar consultando el manual de servicio del VFD. Si la fuente de alimentación o el bus de CC no funcionan correctamente, como se describe anteriormente, el diagnóstico es sencillo. La etapa del inversor es un poco más compleja y, a veces, la solución rápida y fácil es reemplazar la (s) placa (s) de circuito. Esto puede ser bastante costoso, pero la prioridad en la reparación de ascensores es hacer que el sistema funcione de manera segura lo antes posible.

En la sección del inversor, puede haber algunas complicaciones debido a la proliferación de campanas y silbatos, que deben documentarse en el manual de servicio. El sistema básico, sin embargo, es bastante fácil de entender.              

A modo de antecedentes, durante muchas décadas, los ascensores eléctricos utilizaron solo motores de CC, incluso después de la introducción del motor de inducción de CA trifásico de Nikola Tesla. La rotación se podía invertir fácilmente cambiando dos de los conductores trifásicos, pero el control de la velocidad era mucho más fácil en un motor de CC, donde era una simple cuestión de regular el voltaje del motor. La velocidad del motor de CA era problemática porque la reducción del voltaje hacía que el motor se detuviera y se sobrecalentara. Es decir, hasta la década de 1960, cuando se desarrolló el VFD. Luego se descubrió que la velocidad del motor de CA se podía regular fácilmente, según se requiere para paradas suaves en el piso y operación en modo de inspección, ajustando la frecuencia y el ciclo de trabajo en una onda cuadrada en lugar de solo el voltaje. El motor de CA incluso puede funcionar a una velocidad superior a la nominal si se proporcionan cojinetes de alta velocidad y refrigeración adecuada.

La sección del inversor VFD cambia la corriente directa del bus de CC a una onda cuadrada con frecuencia ajustable y/o ciclo de trabajo. Por lo general, la forma en que funciona es que una señal de control del controlador de movimiento se aplica a los terminales de control de seis MOSFET de estado sólido conocidos como tiristores. Estos son semiconductores de conmutación que son capaces de manejar hasta 2,000 V.      

Dos herramientas esenciales y muy económicas para realizar diagnósticos digitales son la sonda lógica digital y el pulsador digital. La sonda lógica es un instrumento manual con un electrodo de punta de aguja que se puede tocar en cualquier punto de un circuito digital. Detecta la presencia o ausencia de pulsos digitales y los caracteriza mediante indicadores LED codificados por colores. El pulsador es otro instrumento manual con un electrodo de punta de aguja que se puede tocar en cualquier punto de un circuito digital. Se utiliza para inyectar una señal digital a un cable o terminal que no está conectado a una entrada de señal de entrada para que se pueda evaluar el efecto de ese circuito o componente.         

Se requieren herramientas especializadas para trabajar y medir el voltaje y la corriente en los conjuntos de motores VFD. Según el voltaje y la corriente de falla disponible, es posible que se necesite equipo de protección personal, que va desde casco, gafas y guantes de alto voltaje hasta trajes completos. En un entorno industrial o comercial pesado con un gran banco de ascensores, el gabinete del equipo debe estar etiquetado con el voltaje y la corriente de falla disponible. Sin embargo, los peligros pueden estar presentes:

• El etiquetado puede estar desactualizado, es decir, el servicio y/o el alimentador(es) pueden haber sido actualizados, aumentando la corriente de falla sin cambiar el etiquetado. Luego, actualice el etiquetado.

• Siempre es mejor desconectar la energía antes de acercarse a cualquier escenario de corriente de falla alta.

• Incluso con la energía desconectada, los voltajes peligrosos pueden almacenarse en los capacitores de los componentes o en la capacitancia parásita. Esto es especialmente cierto en la sección del rectificador VFD.

A diferencia de la resistencia, el voltaje y la corriente solo se pueden medir en circuitos energizados. Por lo tanto, las herramientas de medición sin contacto son esenciales. ¡Acérquese con cuidado!