Desarrollo eficiente de AVR usando ASICs GreenPAK programables

Los reguladores automáticos de voltaje (AVR) modernos dependen cada vez más del control digital, pero las soluciones rentables y compactas que ofrecen los ASICs de señal mixta programables —como el GreenPAK SLG46537V de Dialog Semiconductor— resultan especialmente valiosas para unidades AVR portátiles.

Los AVR, comúnmente llamados estabilizadores de voltaje, mantienen una tensión de salida estable compensando fluctuaciones en el suministro. Son esenciales en generadores de barcos, sistemas de energía de emergencia y plataformas petrolíferas, y protegen electrodomésticos como aires acondicionados y refrigeradores de irregularidades de voltaje.

Para las empresas de servicios públicos, la regulación precisa del voltaje en la red de distribución es esencial para la calidad de la energía. En regiones como el sur de Asia, desafíos como el robo de energía y la escasez de generación pueden provocar cortes de carga y oscilaciones de voltaje, haciendo que los AVR portátiles sean una salvaguarda popular.

Los diseños tradicionales de AVR emplean un autotransformador con tomas y un bucle de realimentación accionado por relés. El circuito típico consiste en una unidad de detección que monitoriza voltajes de entrada y salida y una unidad de regulación que acciona relés para seleccionar la toma correcta del transformador. Históricamente, esta realimentación se implementaba con amplificadores operacionales y comparadores analógicos; diseños más recientes usan microcontroladores de 8 bits. Sin embargo, la plataforma GreenPAK ofrece funcionalidad equivalente a menor costo y huella, eliminando la necesidad de firmware separado para MCU.

En las siguientes secciones detallamos cómo el SLG46537V puede configurarse como controlador AVR, presentamos la arquitectura completa del sistema y compartimos resultados experimentales de un prototipo.

Arquitectura del sistema

La Figura 1 muestra el diagrama de bloques del AVR. La salida AC se acondiciona a un nivel DC adecuado para el GreenPAK, que a su vez acciona relés electromecánicos para seleccionar la toma apropiada del autotransformador. El controlador también alimenta la circuitería de accionamiento de relés y proporciona indicadores LED de estado.

Figura 1: Diagrama de bloques funcional (fuente: BarqEE)

Las especificaciones clave del AVR son:

• Voltaje de entrada: 125 V – 240 V
• Salida regulada: 200 V – 240 V
• Protección por subtensión (<180 V) y sobretensión (>255 V) desconectan la salida.
• Cuatro relés electromecánicos accionan las tomas del autotransformador (135 V, 174 V, 196 V, 220 V) y un relé de seguridad.
• Forma de onda y frecuencia de salida coinciden con la entrada.
• Diseño de controlador rentable.
• Indicadores LED para estados normal, sobretensión y subtensión.

Estos parámetros pueden ajustarse en el firmware de GreenPAK para adaptarse a otras aplicaciones.

Implementación funcional

Figura 2: Arquitectura detallada del AVR (fuente: BarqEE)

Acondicionamiento de potencia
La CA de línea se reduce a 12 V y luego se regula a 5 VDC para alimentar el GreenPAK.

Detección de voltaje
La salida AC (Live_out) se atenúa, rectifica y filtra para producir una referencia DC estable (Vsense). Un factor de escala de 0,01 convierte 200 VAC a ~2 VDC, coincidiendo con el rango de entrada del CI.

Control GreenPAK
Vsense alimenta los comparadores y la máquina de estados del GreenPAK. Las salidas digitales accionan controladores de relés basados en transistores y LEDs de estado. El esquema de la configuración de E/S del GreenPAK se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Esquema de diseño GreenPAK (fuente: BarqEE)

Actuación de relés
Tres relés (RL1–RL3) conmutan la entrada del transformador entre las cuatro tomas. Un cuarto relé (RL4) desconecta la salida bajo condiciones de protección.

Diseño lógico GreenPAK

El archivo de GreenPAK Designer está disponible aquí (descarga gratuita).

Figura 4: Máquina de estados finitos de cinco estados (fuente: BarqEE)

La FSM controla la selección de relés: cada estado se corresponde con una relación de toma del autotransformador específica, como resume la Tabla 1.

Tabla 1: Relaciones de toma del autotransformador por estado (fuente: BarqEE)

Estado	Relación de toma
0	220/135 ≈ 1,63
1	196/135 ≈ 1,45
2	220/174 ≈ 1,26
3	196/174 ≈ 1,13
4	220/220 = 1

Las transiciones de estado ocurren cuando el voltaje de salida detectado sale de la banda 200 V–240 V. Retardos de ≈ 0,5 s evitan rebotes de relé durante excursiones transitorias.

Sobretensión y subtensión son detectadas por los comparadores ACMP2 y ACMP3. Tras un debounce de 50 ms, la lógica desactiva RL4 y enciende el LED correspondiente.

Validación experimental

Configuración de hardware

Figura 6: Banco de pruebas del prototipo (fuente: BarqEE)

El arnés de prueba usa un Variac para barrer el voltaje de entrada, un osciloscopio para capturar formas de onda y una placa de desarrollo GreenPAK para accionar los relés.

PCB y circuito de relés

Figura 7: Diseño PCB (fuente: BarqEE)

La placa aloja los controladores de relés, BJTs y componentes auxiliares.

Métricas de rendimiento

• Carga: 450 VA – 550 VA
• Voltaje de entrada: 125 V – 240 V
• Voltaje de salida: 200 V – 240 V
• Frecuencia: 50 Hz – 60 Hz
• Resistencia de aislamiento: > 5 MΩ
• Tiempo de respuesta: 10 ms – 15 ms
• Elevación de temperatura del transformador: 65 °C – 70 °C a 1,2× carga nominal
• Eficiencia: > 95 %
• Rango de temperatura ambiente: –40 °C a 0 °C

Análisis de formas de onda

Figura 8: Resultados cuantitativos del osciloscopio (fuente: BarqEE)

El AVR sigue el voltaje de entrada y mantiene la salida dentro de la banda objetivo ciclando a través de las tomas de relé.

Figura 9: Regulación normal (fuente: BarqEE)

Cuando la entrada sube hacia el límite superior, el AVR cambia a la relación de toma más baja (1,00) para devolver la salida a 200 V–240 V.

Figura 10: Acercamiento a sobretensión (fuente: BarqEE)

Durante una excursión de sobretensión, RL4 se abre y la salida colapsa, protegiendo la carga.

Figura 11: Protección por sobretensión (fuente: BarqEE)

Protección análoga ocurre en condiciones de subtensión, como ilustran las Figuras 12 y 13.

Figura 12: Acercamiento a subtensión (fuente: BarqEE)

Figura 13: Protección por subtensión (fuente: BarqEE)

Durante toda la regulación, la frecuencia y fase de salida permanecen idénticas a la entrada.

Conclusión

Los ASICs programables como el GreenPAK SLG46537V pueden reemplazar controladores AVR discretos y microcontroladores, entregando regulación de voltaje fiable a menor costo y área de PCB. El prototipo demuestra la viabilidad de este enfoque para aplicaciones residenciales e industriales, y la arquitectura puede escalarse a controladores más complejos aprovechando ASICs con estados FSM adicionales.

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Aamir Hussain Chughtai es candidato a doctorado en Ingeniería Eléctrica en LUMS, Lahore. Su investigación se centra en procesamiento de señales, aprendizaje automático e IoT. Co-fundó BarqEE y puede contactarse en chughtaiah@barqee.com.

Muhammad Saqib posee un M.S. en Ingeniería Eléctrica de NUCES, Lahore. Su experiencia incluye electrónica de potencia, sistemas embebidos e instrumentación. Co-fundó BarqEE y puede contactarse en saqib.awan@barqee.com.

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