Electrónica en Acondicionadores de aire (on/off)

La electrónica pasó a ser una constante en la industria en general. Los sistemas de control mecánicos fueron reemplazados por sistemas complejos basados en electrónica de control y potencia. Sin embargo, a esta evolución no la vemos con malos ojos.
Como técnicos de la industria, tenemos la obligación de seguir este proceso de cerca, documentándonos, adquiriendo conocimiento nuevo para hacerle frente a todas las tendencias de mercado. Esto asegurará que nuestro trabajo como técnico sea exitoso.

Identificación de etapas del sistema de control

En un equipo de aire acondicionado on- off o superior, es común encontrar una o más tarjetas electrónicas (fenólica) usadas para controlar el equipo. En ella se conectan las terminales de nuestros componentes principales como: compresor, abanicos, motores, diversos tipos de sensores, entre otros.
Físicamente podemos apreciar que está repleta de componentes electrónicos que sirven para habilitar ciertos sectores dentro de la tarjeta. Cada sector tiene su función específica, es aquí donde resulta interesante conocer las etapas o sectores de la tarjeta de control (ver figura 1).

Como se recalca en cada taller o curso que damos en mkfetlabs.com, para un buen diagnóstico es necesario entender el funcionamiento de las diferentes etapas de las PCBAs.

Figura 1. Sistema de control sencillo pero de gran aplicación:

A.) Control de velocidad (Triac).	J.) Transformador.
B.) Motor oscilador (motor a pasos).	K.) Regulador de tensión 5V.
C.) Sensor de RPM motor.	L.) Puente rectificador.
D.) Buzzer piezoelectrico.	M.) Regulador de tensión 12V.
E.) IC Driver.	N.) Control encendido (Relay o contactor).
F.) Microcontrolador (MCU).	Ñ.) Protector sobretensión.
G.) Display (Receptor infrarrojo).	O.) Etapa de suministro.
H.) Termistores (Sensor de temperatura).	P.) Capacitor del motor AC.
i.) Memoria EEPROM.

Control de velocidad (triac)

Los motores que se utilizan en los equipos comúnes (evaporador) y sistemas inverter simples, normalmente son de corriente alterna. Para variar su velocidad se emplea el TRIAC. (BT132 series D en algunas placas). A este sistema se lo denomina PG.

PCBA SPLIT ON-OFF

El triac es un componente semiconductor perteneciente a la familia de los tiristores. La señal que lo “gobierna” proviene de la unidad de Microcontrolador (desde ahora MCU), pasando por un IC del tipo driver (por lo general un ULN2003 o similar) y luego por un sistema de optoacople (opto – acoplador PS2561A normalmente).
El triac se configura para controlar el porcentaje de señal o voltaje que se proporciona al motor AC. Tiene 3 pines: “Disparo, Anodo 1 y Anodo 2”. Como se pueden imaginar, la señal proveniente desde el MCU, pasa por las etapas ya mencionadas, hasta llegar al pin de disparo del triac. Figura 2.

Hay tres métodos para controlar la velocidad de un motor de corriente alterna: por variación de frecuencia, variación de voltaje (control por fase) y relay. La primera (ver figura siguiente) tiene un tiempo de respuesta muy corto, permitiendo obtener un torque fuerte desde el inicio y con márgenes de error muy pequeños, pero necesita una circuitería compleja para llevarla a cabo, por lo que es poco práctico en acondicionadores comunes. Sin embargo, esta se aplica en equipos de última generación denominados “inverter”.

Variación de voltaje o PG

El control por fase

El control por fase, es la forma más común de un control de potencia con tiristores, consiste en disparar el tiristor en determinados momentos de la onda sinusoidal, a diferentes ángulos como se muestra en la Figura 3; Estas fases de disparo resultan en conducción (parte sombreada) que se ve reflejado en el motor como una variación de potencia y por ende de velocidad.

Un pulso de disparo es colocado en la compuerta del triac (letra “G”) para controlar el paso de semiciclos positivos de la onda. El ángulo de disparo es el tiempo en que se habilita la compuerta para dejar pasar el voltaje a través del TRIAC.

Cave recordar que el triac, una vez que recibe el voltaje de disparo en el gate, este no se desactiva aunque el pulso haya desaparecido. Queda conduciendo hasta que el voltaje de A1 sea 0 V. Es decir, cuando pasa por cero.

El MCU se encarga de enviar al triac, una señal o pulsos de acuerdo al programa que desee el usuario. Por ejemplo, si requiere una velocidad baja media o alta, el pulso irá variando en su tiempo (Ángulo de disparo).

Como se puede interpretar en la imágen 3, los pulsos están desfasados en su tiempo según la potencia de salida que se requiera. A una potencia del 20%, el pulso se disparará al finalizar el semiciclo positivo y si se requiere de una potencia máxima, el pulso se disparará al comienzo de cada semiciclo. De esta manera el MCU desidirá cuanto será el porcentaje de onda que resivirá nuestro motor.

En la figura 3, se eliminaron los pulsos encargados de disparar al semi-ciclo negativo de la onda sinusoidal, para una mejor comprensión del esquema. Sin embargo, es necesario saber que cada semi-ciclo necesita de un pulso de activación.

Esta señal de «disparo» debe estar sincronizada con la línea de CA, de otra manera, el MCU podría gatillar al triac en cualquier parte de la onda. Pero tranquilos amigos, el MCU tiene un circuíto específico para eso, el “Detector de Cruce por Cero”.

Un circuito de cruce por cero es un circuito electrónico que detecta el instante en que una onda sinusoidal tiene una amplitud de cero voltios. En ese instante, se envía dicha información a su circuito controlador. Figura 4.

Gracias a esta señal, el MCU puede calcular el tiempo o ángulo de disparo del triac para determinar la potencia del motor.

En la figura 4 vemos el diagrama del “Detector de Cruce por Cero” implementado en la PCBA CE-KFR50GW/I1 (figura 5).
En dicho diagrama interpretamos que, cando la onda sinusoidal proveniente del transformador pasa por cero, el transistor BJT deja de conducir (ya que es un NPN) produciendo que el voltaje de la resistencia push pull R5, envíe un estado alto al MCU. Cuando la onda sinusoidal comienza a elevar su voltaje (semiciclo positivo), el transistor BJT comienza a conducir, enviando esos 5V a masa es decir, el voltaje resultante es cero voltios. Con ello vamos a obtener un pulso positivo en cada cruce por cero (pulsos digitales). Dicha información será utilizada por el MCU para disparar al triac en un ángulo de tiempo perfecto.

Controlador por Relay.

Este sistema es uno de los más antiguos y comunes en equipos de ventana. El circuito de la figura 6, consiste en una señal proveniente del microcontrolador utilizando diferentes líneas según las velocidades que se requiera. Por ejemplo, para un ventilador de dos velocidades, se emplearían dos líneas provenientes del MCU (pin 9 y 10 del MCU), pasando por su etapa driver y terminando en sus dos relays individuales. Estos relés se encargarán de conectar a línea de 220VAC, al bobinado correspondiente del motor consiguiendo así, una variación en su velocidad.

Motor oscilador (motor a pasos)

El motor a pasos es considerado como un motor digital, ya que opera a través de secuencias de 1s y 0s.
Nos referimos directamente al motor que se encarga de mover la rejilla de salida de aire del evaporador. Muchas veces no conocer su funcionamiento es un verdadero dolor de cabeza al querer resolver una falla extraña en esta sección. Podemos darnos cuenta que este componente cuenta con múltiples cables en su conector que puede darnos una nueva impresión o hacernos dudar del funcionamiento del mismo.

Realmente no tiene mucha complicación. El motor oscilador se le conoce en electrónica como Motor a Pasos. Esto es porque los giros que realiza, los hace lentamente a través de una serie de secuencias (pasos) comandadas desde el microcontrolador.

El motor Internamente está constituido por cuatro bobinas o devanados unidos entre sí por un mismo cable, que denominaremos “Común”, así mismo existe un cable asignado para cada bobina para ser energizada de forma individual y dar secuencia al movimiento del rotor (ver figura 7). El rotor tiene incrustaciones magnéticas que serán orientadas según la polarización de las bobinas. Para hacer girar el motor en sentido contrario sólo basta con invertir la secuencia de voltaje en las terminales de las bobinas.

Este tipo de motor opera con 12VDC, sin embargo, este voltaje no puede ser medido con exactitud por un multímetro convencional, devido a que son secuencias de pulsos los que lo alimenta, para esto se requiere de un osciloscopio. Midiendo la resistencia de los devanados podemos darnos una idea si el motor está en buen estado eléctricamente.

En la figura 8, vemos un circuito representativo del conexionado del motor paso a paso. En él, pusimos a un MCU arduino, sin embargo puede ser cualquier otro MCU programado para tal fin. La señal es enviada hacia una etapa driver compuesta por el IC ULN2803A para finalizar en nuestro motor paso a paso.

Sensor de RPM motor.

Está constituido por un sensor de efecto HALL, ubicado en la proximidad de la flecha del rotor del motor, para monitorear la velocidad de giro, y se conecta en una sección de la placa señalado en la Figura 1 letra c. Por lo general, cuando falla por completo este componente es detectado por el microcontrolador y lo sitúa en modo de protección al equipo.

Sin embargo, hay ocasiones que falla de manera intermitente y no es interpretado inmediatamente por el Microcontrolador.

Al fallar de este modo, el abanico evaporador puede subir y bajar sus revoluciones sin control, ocasionando una perturbación de aire en el ambiente.
Cuando ocurre este efecto, primeramente debemos descartar si existe suciedad en los componentes como: filtros, serpentín y turbina, ya que pueden alterar el flujo normal del aire. De resultar sucios, pueden ocasionar un efecto similar al que se comentó anteriormente.

Para confirmar el comportamiento del sensor, hay que medir el voltaje proporcionado por este componente. Este debe cambiar de 0 a 5 VDC, si al momento de medir se obtienen valores intermedios, por ejemplo 2.4V o 3V, el microcontrolador lo puede asumir como dato válido o nulo y significa que el sensor está a punto de entrar en modo de falla permanente. En este caso se deberá reemplazar el motor evaporador por completo.

En la Figura 9, podemos ver al sensor de efecto HALL compuesto por un componente de tres pines, cuál diagrama principal se lo puede ver a la derecha del mismo. Dicho componente se encuentra en una placa interna dentro del motor AC.

Buzzer piezoelectrico

Este componente es un transductor acústico que emite información sonora (Bip Bip) proveniente desde el MCU. (Imágen derecha).
Puede servir para informarnos del encendido del equipo o de algún error.

Circuíto integrado (IC) Driver.

Como ya vimos varios circuitos en el cual, se implementan los «drivers«, podemos concluir que es un componente o sistema encargado de potenciar la señal del microcontrolador. Se puede decir que se ubica entre el MCU y la etapa de potencia. Su alimentación suele ser de 12VCC el cual es utilizado para habilitar/deshabilita relays, manejar motores paso a paso, encender leds etc.

En la figura 10 vemos al ULN2001 con su circuíto interno equivalente, muy similar al de los PCBAs de AA.

Microcontrolador (MCU)

Este dispositivo se conoce como el «cerebro de la tarjeta». Es como una microcomputadora. Internamente, posee memorias, microprocesador, conversores analógicos – digitales (A/D) y digitales – analógicos (D/A) entre otros módulos. Evalúa las señales de entrada que provienen de los sensores de temperaturas, receptor infrarrojo etc., y emite una señal de salida (hacia los relés, motor paso a paso, pantalla, leds, etc.) Básicamente, controla todas las funciones del equipo.

El MCU NEC D7900CU-053 lo pueden encontrar en varias placas de acondicionadores de aires. Sin embargo, cabe aclarar que también pueden estar presentes en una variedad de equipos como tableros, instrumentales varios, equipos autómatas etc., ya que son programables.

Display y Receptor infrarrojo

Este tipo de pantallas necesita una serie de cables para alimentar a los pixeles (segmentos). En la figura 11 podemos ver una representación del display de un equipo convencional.

Normalmente esta etapa se ecuentra en una placa segundaria más pequeña atornilada en la parte frontal del equipo. Figura 12.

En la sección 1 de la figura 11 vemos al display. En la sección 2 y 3 podemos ver una representación eléctrica del panel. Cada segmento es interpretado como un led (cátodo común) así que solo se iluminará el segmento alimentado entre los pines correspondientes (ánodo/cátodo). Dichos pines son comandados por el MCU.
(También hay display con segmentos ánodos común).

En algunos equipos los datos provenientes del microcontrolador van primero a un decodificador IC. Luego recién van rumbo al display. Depende del fabricante y modelo de equipo.

Receptor infrarrojo

En la misma placa se encuentra el receptor infrarrojo. Su conexión normalmente la podemos encontrar en el mismo conector del display.
Las señales infrarrojas enviadas del control remoto, son recibidas por un receptor infrarrojo (Figura 13) y se trasmiten mediante cables a la tarjeta de control. En ella se encuentra el Microcontrolador que interpreta estas señales como ordenes de activación.

Control remoto

Al momento de presionar cualquier botón del control remoto, automáticamente se emite un tren de pulsos infrarrojo a través de un LED emisor de luz (siguiente imagen). Dichos pulsos contiene información acerca de las instrucciones que deberá ejecutar el equipo de aire acondicionado (unos y ceros). Dicha información es recibida por nuestro receptor descrito más arriba.

Cada vez que se presiona un botón del control remoto se emite una trama diferente según la función que se haya presionado.

Figura 13: Entre los pines GND y Vout se puede observar con un osciloscopio una señal similar a la mostrada en la Figura 14. Los paquetes de información serán interpretados por el microcontrolador siempre y cuando sean los correctos. Si existe una variación en el código por pertenecer a otro equipo, las señales serán rechazadas. Cada fabricante utiliza su propio código de comunicación para evitar interferencias entre equipos. (Más allá de esto, existe la posibilidad que en algunos casos el protocolo coincida entre AA diferentes.)

Termistores o sensores de temperatura

La función de este dispositivo, también conocido como sonda, es la de registrar o sensar cambios en la temperatura. Su diseño y fabricación con componentes específicos, permiten que la resitencia varíe de acuerdo a la temperatura a la cual se encuentra sometido.
Los termistores se fabrican con mezclas de óxidos metalicos y cristales mixtos oxidados. En el caso del termistor, este presenta un coeficiente de resistencia negativo. Es decir, que su resistencia disminuirá considerablemente con el aumento en la temperatura (resistencia NTC).

En los acondicionadores de aire convencionales, podemos tener presente hasta dos sondas. Una instalada en el frente de la serpentina de la unidad interior cuál objetivo es registrar la temperatura del aire de retorno (sensor de ambiente), cumpliendo el rol de un termostato convencional tanto para su funcionamiento en modo frío como calor. Y otro sensor de contacto que se encuentra pegado a la tubería de la evaporadora y su función es evitar la congelación. Existen sensores de pozo de 5, 10, 15, 20, 25 hasta 200 K.

En unidades del tipo Inverter, el número de termistores aumenta, llegándose a encontrar normalmente un total de 6 sondas que controlan los siguientes parámetros:

• Temperatura del tubo de descarga del compresor.
• Temperatura del intercambiador de calor exterior.
• Temperatura del tubo a la salida de la expansión
• Temperatura del aire de retorno de la unidad interior.
• Temperatura del serpentín (evaporador) de la unidad interior.
• Temperatura del tubo de gas.

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Estos sensores proporcionando información valiosa al Microcontrolador para mantener la temperatura de la habitación, así como prevenir daños en el compresor por algún mal funcionamiento en el sistema.
Un divisor de voltaje es necesario para convertir las variaciones de resistencia en variaciones de voltaje.

A modo de referencia, en la gran mayoría de los casos, el divisor está diseñado para que a 25ºC, el voltaje presente en las terminales del sensor, sea alrededor de 2.5VCD, justo la mitad de la fuente de 5VCD. Gracias a este tipo de arreglos o acondicionamiento de señales el Microprocesador puede colectar la información de los diferentes sensores que tiene interconectados alrededor del sistema de aire acondicionado.

Memoria EEPROM

En la figura 1 sección i, podemos ver a la memoria EEPROM ubicada en la PCBa. Normalmente, se encuentra cerca del MCU. En la figura 15 vemos a la memoria en su encapsulado DIP (común en muchos equipos) y formato SMD común en equipos modernos.

Como lo remarcamos en nuestros cursos (mkfetlabs.com), jamás juzguen a un encapsulado, deben buscar la hoja de datos de cada componente basándose en el código que lo describe. En la figura 15 el código del primer chip es el 24C02B6.

EEPROM significa: memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). La EEPROM almacena bits mediante la tecnología de semiconductores. En ella se almacena el sistema operativo del acondicionador de aire. Los códigos de error, temperatura de trabajo, corte y habilitación del compresor/ventiladores etc. Todo está escrito allí. El sistema operativo también es conocido como firware. (figura 16)

Es verdad que demás de la memoria EEPROM integrada en el chip del microcontrolador, ésta memoria externa es exclusiva del sistema operativo. Su protocolo de comunicación suele ser el I²C, SPI, Microwire, etc.

Transformador

Su fuente de alimentación suele ser un transformador lineal (obsoleto) el cual, sirve de reductor de tensión proporcionando un voltaje cercano a los 16 voltios. En la figura 1 sección l, vemos a su puente rectificador muy próximo al conector secundario de dicho componente. (Figura siguiente).

En los equipos modernos podemos decir que este tipo de fuente fue reemplazado por un sistema más avanzado y eficiente. Dicho sistema llamado fuente switching o fuente conmutada lo tratamos a fondo en nuestros diversos cursos de electrónica.

Regulador de tensión 5V

Normalmente, la placa electrónica necesita de dos líneas de voltajes para su funcionamiento. Dichas líneas deben manejar un voltaje de 12 y 5 voltios estables. 12 para la etapa driver – relés y 5 para el MCU, memoria, sensores entre otros.

Como vimos más arriba, la fuente principal compuesta por un transformador y rectificada por un puente de diodos nos da 16 voltios aproximadamente siendo este, un voltaje mayor al deseado. Por ese motivo, se utilizan reguladores de tensión para bajar y estabilizar aún más las líneas. En la figura 17, vemos la conexión típica de un regulador 7805.

Puente rectificador

La corriente alterna se convierte en Corriente Continua Pulsante donde solo existen semiciclos en una dirección.

El puente rectificador está compuesto por cuatro diodos conectados entre sí. Tienen el trabajo de convertir la corriente alterna de 12 voltios proveniente del transformador, en corriente continua para alimentar las diferentes etapas del equipo. Dicho sistema es conocido como rectificador de onda completa.

La acción de descarga lenta del capacitor (C) permite filtrar las variaciones de voltaje provenientes del puente de diodos. Por lo general, este capacitor es de un valor grande que oscila en el orden de los 1000uF para asegurar una mejor estabilidad en esta etapa.

El voltaje en este punto de la fuente de poder deberá ser mayor a 12VCD para asegurar una correcta operación de la tarjeta electrónica.
En la figura 19 vemos varias PCBAs diferentes y la disposición del puente de diodos junto a su capacitor de filtrado y conector del secundario del transformador lineal de 12V. En el tercer ejemplo vemos que el transformador está integrada a la placa.

Nunca está de más recordar que los 12 voltios que nos da el transformador es de corriente alterna. Por ese motivo se requieren del puente rectificador para convertirlo en continua. Este proceso nos da como resultado una salida aproximada de 16 voltios, ya que si hablamos de corriente alterna, los 12 voltios del transformador es considerado voltaje RMS. Mientras que el voltaje obtenido por la etapa rectificadora es el producto rectificado del voltaje pico. Para pasar de voltaje RMS a voltaje pico debemos multiplicarlo por 1.414. Ej: 12VRMS de CA x 1.414= 16.96Vp CA.

Regulador de tensión 12V

Sin mucho que agregar, el 7812 pertenece a la familia del 7805 con lo cual, podemos interpretar que sus esquemas son similares. La única diferencia visible es que su voltaje de salida estable es de 12 Voltios. Ver Figura 20.

Control encendido (Relay o contactor)

Figura 21: Sin mucho que agregar, un relay es una llave electromecánica, cuya señal proviene de una etapa driver como lo vimos en los puntos anteriores. (Figura 6). Dicha señal activa la bobina (Coil) generando un campo magnético que ocasiona el movimiento de una llave mecánica. Esta llave produce una conexión o desconexión de un circuito secundario.

Su conector principal es el común o Center y sus otros dos pines corresponden al normally closed (Normal cerrado o N/C) y normally open (Normal abierto o N/O).

Protector sobretensión

Este sistema la suelen traer algunas placas y se trata de la integración de un varistor entre línea y neutro justo antes de que la tensión ingresara al equipo, y después del fusible. Su funcionamiento es la de reducir su resistencia al aumento de la tención a tal punto, que ocasionará un cortocircuito fundiendo al fusible. Figura 22.

Etapa de suministro

En la Figura 1 sección O, se muestran los conectores de suministro, donde se enchufa el cable de alimentación de 220VAC.

Capacitor del motor AC

En la imagen 1 sección P, podemos ver al capacitor del motor AC de la unidad interior. Su conexión también está expuesta en la figura 6.

Este documento está basado en el trabajo de Jaime Alonso Meza y Jesús Ricardo Zamora de mundohvacr.com.mx.

Para analizar cada punto más a fondo y obtener un documento más extenso le recomendamos nuestro curso de Reparación de placas electrónicas de AA convencionales. También tenemos disponible reparación de Placas Split Inverter entre otros.