Relevadores Digitales.docx

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRICA Y ELECTRÓNICA INGENIERÍA ELÉCTRICA TRABAJO DE INVESTIGACIÓN “RELEVADORES DIGITALES” INTEGRANTES EQUIPO #2: Gómez García Axel Adrian Feliciano Sandoval Reyxccil García Miranda David

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CATEDRÁTICO: RODRÍGUEZ CARTAGENA JUAN DE DIOS 20 DE MARZO DE 2019, CD MADERO, TAMAULIPAS

ÍNDICE Introducción.......................................................................................................................................2 Transformadores de corriente y de potencia auxiliares......................................................................3 Acondicionamiento de señales.......................................................................................................3 Filtros para relevadores digitales de protección.................................................................................4 Filtros anti-aliasing.........................................................................................................................5 a)

Pasa banda.............................................................................................................................7

b)

Rechaza banda........................................................................................................................8

c)

Pasa bajas...............................................................................................................................9

d)

Pasa altas..............................................................................................................................10

Conversión de señal análoga a señal digital.....................................................................................12 Procesos que intervienen en la Conversión Analógica-Digital......................................................14 Muestreo de la señal analógica.................................................................................................14 Cuantificación de la Señal Analógica.......................................................................................15 Codificación de la señal en Código Binario.............................................................................15 Convertidores analógicos-digitales...........................................................................................15 Memorias de los relevadores digital................................................................................................18 Memoria RAM..................................................................................................................................19 Memorias de acceso aleatorio (RAM)..........................................................................................19 La familia de memorias RAM........................................................................................................19 RAM estática (SRAM)...................................................................................................................20 RAM dinámica (DRAM).................................................................................................................20 Memorias ROM................................................................................................................................23 La ROM de máscara......................................................................................................................23 Una ROM básica...........................................................................................................................24 Memorias EPROM............................................................................................................................26 procesamiento de datos……………………………………………………………………………………………………………….28

Referencias bibliográficas………………………………………………………………...29

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Introducción En los servicios públicos y en la industria los sistemas de transmisión de potencia electrica y distribución, un relevador digital de protección es un sistema basado en computadora con algoritmos de protección basados en software para la detención de fallas eléctricas. [1]. Tales relevadores son denominados relevadores de protección de tipo microprocesador. Son reemplazos funcionales para los relevadores de protección electromecánicos y pueden incluir muchas funciones de protección en una unidad, también como proveer de medición, comunicación y funciones de autodiagnóstico. Los relevadores de protección digital es un relevador de protección que usa un microprocesador para analizar los voltajes del sistema de potencia, corrientes y otras cantidades con el propósito de la detección de fallas en un sistema eléctrico de potencia o en un sistema de proceso industrial. Un relevador de protección digital puede ser llamado también como “relevador de protección numérico”.

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Transformadores de corriente y de potencia auxiliares Estos transformadores toman los valores de voltaje y corriente de los TC’ s y TP’s principales de la subestación y su función es la de aislar eléctricamente al relevador del resto del SEP. Estos transformadores reciben las señales analógicas del SEP y las reducen a niveles hasta 5A y 5V respectivamente con los cuales el relevador puede trabajar a la normalidad. [2]

Acondicionamiento de señales En esta etapa se acondicionan las señales de corriente y tensión que se toman de los transformadores de corriente y potencial del sistema de potencia. El acondicionamiento de las señales se refiere a escalar o atenuar las señales de corriente y tensión, a niveles de voltaje que puedan ser convertidos en cantidades binarias para ser procesadas por un microprocesador, un microcontrolador o un DSP. Se deben prever en el diseño de un circuito de acondicionamiento de señales, que los valores máximos posibles de voltaje de salida de este circuito no excedan el rango aceptado por el convertidor analógico digital que se esté utilizando. En la figura 1 se muestra la forma de atenuar las señales de los transformadores de tensión y corriente por medio de divisores de tensión: [3] Línea

Al relevador

a) Transformador de corriente

Al relevador

b) Transformador de voltaje

Figura 1: Acondicionamiento de señales en transformadores de corriente y tensión.

El aislamiento galvánico de las señales de tensión y corriente se obtiene a través de los transformadores de potencial y corriente. También, se emplean circuitos con amplificadores de aislamiento o circuitos con opto acopladores para evitar que las señales del sistema de potencia causen daños al relevador. [3]

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Los circuitos de acondicionamiento de señales deben de apegarse a las normas correspondientes para cumplir requerimientos como: inmunidad a transitorios, inmunidad a picos de tensión e inmunidad a señales de radiofrecuencia [3]

Filtros para relevadores digitales de protección Un filtro es un sistema, que, dependiendo de algunos parámetros, realiza un proceso de discriminación de una señal de entrada obteniendo una señal con variaciones en su salida. Los filtros digitales tienen como entrada una señal digital y a su salida tienen otra señal digital, pudiendo haber cambiado en amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las características del filtro.[4] El filtrado digital es parte del procesado digital de señales. Se le da la denominación de digital, más por su funcionamiento interno, que, por su dependencia del tipo de señal a filtrar, así podríamos llamar filtro digital tanto a un filtro que realiza el procesado de señales digitales como a otro que lo haga de señales analógicas.[4] El filtrado digital consiste en la realización interna de un procesamiento de datos de entrada. El valor de la muestra de la entrada actual y algunas muestras anteriores (que previamente habían sido almacenadas) son multiplicadas, por unos coeficientes definidos. También puede tomar valores de la salida en instantes pasados y multiplicarlos por otros coeficientes. Finalmente, todos los resultados de todas estas multiplicaciones son sumados, dando una salida para el instante actual. Esto implica que internamente, tanto la salida como la entrada del filtro serán digitales, por lo que puede ser necesaria una conversión análogo - digital o digital - análoga para uso de filtros digitales con señales analógicas.[4] En otras palabras, un filtro digital es un algoritmo implementado en hardware y/o software que opera sobre una señal de entrada digital (discreta en tiempo y cuantificada en amplitud) y genera una señal digital de salida, con la finalidad de efectuar un proceso de filtrado. El término “filtro digital” se refiere al hardware o software específico que ejecuta el algoritmo. Los filtros digitales trabajan sobre valores numéricos asociados a muestras de esas señales analógicas previamente digitalizadas por conversores análogo - digitales (A/D) o simplemente sobre un conjunto de números almacenados en la memoria de una computadora o microprocesador.[4] Figura 1.1. Diagrama bloques simplificado de un filtro digital

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Filtros anti-aliasing El aliasing es la aparición de una onda de frecuencia diferente a la onda de la frecuencia medida, en la conversión análoga - digital de señales, se manifiesta debido a el muestreo incorrecto de señales analógicas, lo que puede provocar que señales de alta frecuencia se presenten como señales de baja frecuencia. [4] El efecto aliasing consiste en que se el filtro mide una señal con otra frecuencia diferente a la original, tal como se muestra en la figura 2. [4] Los filtros antialiasing son filtros pasa bajo con frecuencia de corte igual a la mitad del rango de muestreo del conversor análogo – digital (ADC). [4] Un filtro antialiasing ideal tiene una frecuencia de corte fc, con una ganancia menor que la del filtro para otras frecuencias, tal como se muestra en la figura2. [4] En la figura 2.1, se observa en la parte (a), a la izquierda la señal y a la derecha el muestreo. En las partes (b), (c) y (d) muestreos adecuados y en la parte (e) un número de muestras muy bajo, que da como resultado que se mida una señal de baja frecuencia que no existe (aliasing). En la figura 2.2, se observa el mismo fenómeno en la parte superior y en la inferior se nota que no parece el aliasing cuando se utiliza frecuencia de muestreo alta. [4] El filtro antialiasing está compuesto por elementos pasivos (R y C), o por activos (amplificadores operacionales con estos elementos). Entre el conversor análogo – digital y el filtro antialiasing, se ponen otros elementos. En general hay que buscar un compromiso entre el tiempo de retardo del filtro antialiasing y la frecuencia de corte del mismo. Filtros de dos etapas RC son adecuados. [4] Filtros Butterworth, Chebyshev o Bessel se utilizan en la protección por computadora. Se ha demostrado que filtros de 720 Hz, o sea, 12 muestras por ciclo (si la señal fundamental es de 60 Hz) son adecuados cumpliendo el compromiso anterior. El filtro debe de tener una frecuencia de corte de 360 Hz. [4] El aliasing es también una preocupación en el área de la computación gráfica e infografía, donde puede dar origen a patrones de Moiré (en las imágenes con muchos detalles finos) y también a bordes dentados. El aliasing nos puede traer problemas sobre todo en el campo de visión por computadoras, ya que, al procesar imágenes, si no es correcta la imagen obtenida con la realidad, podemos tener problemas con el hardware. [4]

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Figura 2.1. Aparición aliasing efecto del

del por muestreo

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Figura 2.2. Comparación de señales con aliasing y sin aliasing

Figura 3. Relación ganancia frecuencia del filtro antialiasing.

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En general, la prevenir el efecto deseadas frecuencia de dos veces la frecuencia de la y permitir el paso frecuencia tipos de filtros básicos [2]: a) b) c) d)

función de filtro es aliasing (frecuencias no producidas cuando la muestreo es menor que componente de mayor señal), eliminar el ruido solo de componentes de requerida, existen varios

Pasa banda Rechazo de banda Pasa bajas Pasa Altas

a) Pasa banda Un filtro pasa banda es un tipo de filtro electrónico que permite el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Un circuito simple de este tipo de filtros es un circuito RLC (resistor, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de resonancia, que sería la frecuencia central (fc) y las componentes frecuenciales próximas a ésta, en el diagrama hasta f1 y f2. No obstante, bastaría con una simple red resonante LC. [4]

Figura 3.1. filtro pasa banda

Respuesta frecuencial de un

Estos filtros tienen aplicación en ecualizadores de audio, haciendo que unas frecuencias se amplifiquen más que otras. Otra aplicación es la de eliminar ruidos que aparecen junto a una señal, siempre que la frecuencia de ésta sea fija o conocida. [4]

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Figura 3.2. Filtro pasa banda

b) Rechaza banda El filtro suprime banda, filtro rechaza banda, filtro notch o filtro trampa, es un filtro electrónico que no permite el paso de señales cuyas frecuencias se encuentran comprendidas entre las frecuencias de corte superior e inferior. [4] Pueden implementarse de diversas formas. Una de ellas consistirá en dos filtros, uno pasa bajo cuya frecuencia de corte sea la inferior del filtro rechaza banda y otro pasa alto cuya frecuencia de corte sea la superior del filtro rechazo banda. Como ambos son sistemas lineales e invariantes, la respuesta en frecuencia de un filtro banda eliminada se puede obtener como la suma de la respuesta pasa bajo y la respuesta pasa alto (hay que tener en cuenta que ambas respuestas no deben estar solapadas para que el filtro elimine la banda que interese suprimir), ello se implementará mediante un sumador analógico, hecho habitualmente con un amplificador operacional. [4] Otra forma más sencilla, si bien presenta una respuesta en frecuencia menos selectiva, sería la de colocar lo que se conoce como "circuito trampa". En efecto, si unimos los dos bornes (el considerado activo y la considerada masa) con un dipolo resonante LC serie o paralelo, la respuesta global sería la de un filtro rechaza banda (el mínimo de la respuesta estaría en la frecuencia de resonancia del dipolo resonante). En este enlace se puede encontrar un ejemplo de filtro rechaza banda (realmente se muestran los cuatro tipos de filtros, el filtro notch es el último de todos ellos) construido únicamente con componentes pasivos. [4]

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Figura 3.3. Filtro

rechaza banda

c) Pasa bajas Un filtro pasa bajas corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada cuadripolar, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo. Puede ser analógico o digital. [4] En particular la función de transferencia de un filtro pasa bajo de primer orden corresponde a [4]:

Donde la constante k es sólo una ponderación correspondiente a la ganancia del filtro, y la real importancia reside en la forma de la función de transferencia 1 + s / wc, la cual determina el comportamiento del filtro. [4] wo: corresponde a la frecuencia de corte propia del filtro, aquel valor de frecuencia para el cual la amplitud de la señal de entrada se atenúa 3 dB. [4] De forma análoga al caso de primer orden, los filtros de pasa bajo de mayor orden también se caracterizan por su función de transferencia, por ejemplo, la de un filtro pasa bajo de segundo orden corresponde a [4]:

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Donde wo, es la frecuencia natural del filtro y € es el factor de amortiguamiento de este.[4]

Figura 3.4 Filtro pasa bajas

d) Pasa altas Un filtro pasa alto (HPF) es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan las componentes de baja frecuencia, pero no las de alta frecuencia, éstas incluso pueden amplificarse en los filtros activos. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación. El filtro pasa alto más simple es un circuito RC en serie en el cual la salida es la caída de tensión en la resistencia. Si se estudia este circuito (con componentes ideales) para frecuencias muy bajas, en continua, por ejemplo, se tiene que el condensador se comporta como un circuito abierto, por lo que no dejará pasar la corriente a la resistencia, y su diferencia de tensión será cero. Para una frecuencia muy alta, idealmente infinita, el condensador se comportará como un cortocircuito, es decir, como si no estuviera, por lo que la caída de tensión de la resistencia será la misma tensión de entrada, lo que significa que dejaría pasar toda la señal. Por otra parte, el desfase entre la señal de entrada y la de salida sí que varía. [4]

Figura 3.5. Filtro pasivo analógico de primer orden con circuito RC

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El producto de resistencia por condensador (R×C) es la constante de tiempo, cuyo recíproco es la frecuencia de corte, es decir, donde el módulo de la respuesta en frecuencia baja 3dB. [3]

Donde fc es la frecuencia de corte en Hertz,R es la resistencia de aplicación en Ω y C es la capacitancia en Farad. [4] Una posible aplicación de este tipo de filtro sería la de hacer que las altas frecuencias de una señal de audio fuesen a un altavoz para sonidos agudos mientras que un filtro pasa bajo haría lo propio con los graves. [4] Otra aplicación sería la de eliminar los ruidos que provienen de la red eléctrica (50 o 60 Hz) en un circuito cuyas señales fueran más altas. [4]

Figura 3.6. Filtro pasa alto

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Conversión de señal análoga a señal digital. Los convertidores análogos a digitales son empleados para convertir señales de entrada análogas, voltajes y corrientes obtenidas de los TC´s y TP´s, de forma análoga a forma digital. La digitalización involucra dos procesos: el muestreo (digitalización en tiempo) y cuantización (digitalización en amplitud) Las muestras resultantes son enviadas al procesador de señales digitales (DSP) donde los algoritmos del relevador (filtros digitales) procesan estas señales y emiten órdenes a los interruptores del circuito para aislar selectivamente el específico elemento defectuoso para mantener la continuidad del servicio del sistema y la seguridad del equipo y personal.

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Objetivo de los relevadores digitales El objetivo de los relevadores digitales es igualar o exceder el desempeño de los relevadores de estado sólido y de los relevadores electromecánicos [7]. Un relevador digital convierte señales analógicas de tensión y corriente en cantidades binarias por medio de un convertidor analógico digital, luego, estas cantidades son procesadas numéricamente por los algoritmos o programas de cómputo del relevador [8]. Los algoritmos se encargan de la detección de fallas y del control de las señales de disparo. En la figura 1 se muestra un relevador digital comercial.

Ilustración 1 Relevador digital comercial.

Una de las ventajas destacables de los relevadores digitales es su capacidad para auto diagnosticarse [5], [6]. La función de autodiagnóstico se encarga de monitorear continuamente el estado del relevador (hardware y software), y cuando hay una falla interna del relevador digital, este queda fuera de servicio automáticamente, bloqueando sus funciones de protección y enviando una señal de alerta. Además, los relevadores digitales pueden almacenar y enviar datos de algunos ciclos de prefalla y falla para su posterior análisis. Estas características de los relevadores digitales traen como consecuencia la reducción de las rutinas de mantenimiento y una gran confiabilidad en su operación. También, los relevadores digitales simplifican el cableado necesario para un sistema de protección [6]. Cuando se requiere de modificar los esquemas de protección, un cambio

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en la programación de la lógica de protección del relevador ahorra muchas conexiones que serían necesarias con los relevadores electromecánicos y los relevadores estáticos. Otra ventaja de los relevadores digitales frente a sus antecesores es su capacidad multifuncional, esto es, la capacidad de alojar en el mismo relevador diferentes funciones de protección como: protección contra sobrecorrientes, protección por bajo voltaje, protección de distancia, y otras, dependiendo de las características del hardware y software del relevador [9]. Las desventajas que pueden presentar los relevadores digitales se deben a los rápidos ciclos tecnológicos, que obligan a utilizar equipos que sean compatibles en protocolos de comunicación, en hardware, y en software.

Procesos que intervienen en la Conversión Analógica-Digital Muestreo de la señal analógica Para convertir una señal analógica en digital, el primer paso consiste en realizar un muestreo (sampling) de ésta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la Onda senoidal. La frecuencia a la que se realiza el muestreo se denomina razón, tasa o también frecuencia de muestreo y se mide en Kilohertz (kHz). En el caso de una grabación digital de audio, a mayor cantidad de muestras tomadas, mayor calidad y fidelidad tendrá la señal digital resultante. Durante el proceso de muestreo se asignan valores numéricos equivalentes a la tensión o voltaje existente en diferentes puntos de la sinusoide, con la finalidad de realizar a continuación el proceso de cuantificar.

Muestreo: Representación gráfica de medio ciclo positivo (+), correspondiente a una señal eléctrica analógica de sonido. Las tasas o frecuencias de Muestreo más utilizadas para audio digital son 24 000 muestras por segundo (24 kHz), 30000 muestras por segundo (30 kHz), 44 100 muestras por segundo (44,1 kHz) (Calidad de CD), 48000 muestras por segundo (48 kHz). Para realizar el muestreo (sampling) de una Señal eléctrica analógica y convertirla después en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de Tensión o Voltaje a intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal.

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Cuantificación de la Señal Analógica Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso es cuantificar la señal analógica. Para esta parte del proceso los valores continuos de la sinusoide se convierten en series de valores numéricos discretos correspondientes a los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original. Por tanto, cuantificar representa el componente de muestreo de las variaciones de valores de tensiones o voltajes tomados en diferentes puntos de la onda sinusoidal, que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el Sistema numérico, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario.

Proceso de cuantificación de la señal eléctrica analógica para su conversión en señal digital

Codificación de la señal en Código Binario Después de realizada la cuantificación, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario. En este ejemplo gráfico de codificación, es posible observar cómo se ha obtenido una señal digital y el código binario correspondiente a los niveles de voltaje que posee la señal analógica.

Convertidores analógicos-digitales. Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívoca entre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. La relación se establece en la mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión de referencia. La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación. Una primera clasificación de los convertidores A/D, es la siguiente: ❏ Conversores de transformación directa. ❏ Conversores con transformación (D/A) intermedia, auxiliar.

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Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold). Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señal analógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor, generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha. El esquema básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su representación simplificada, se ofrece en la figura:

El funcionamiento del circuito de la figura es el siguiente: El convertidor A/D manda un impulso de anchura tw por la línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándose el condensador C, durante el tiempo tw. En el caso ideal, la tensión en el condensador sigue la tensión de entrada. Posteriormente el condensador mantiene la tensión adquirida cuando se abre el interruptor. En la siguiente figura se muestran las formas de las señales de entrada, salida y gobierno del interruptor.

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El gráfico tiene un carácter ideal, puesto que tanto la carga como la descarga del condensador están relacionadas estrechamente con su valor y con el de las resistencias y capacidades parásitas asociadas al circuito. Se recalca el hecho de que el control de la señal C/M procede del convertidor A/D, que es el único que conoce el momento en que finaliza la conversión de la señal.

Conversor A/D con comparadores. Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramente separados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un número finito de niveles de tensión. Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación, será necesario un codificador que nos entregue la salida digital.

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Memorias de los relevadores digital Los dispositivos de memoria que se cubren en este capítulo se utilizan generalmente para almacenamiento a más largo plazo y de cantidades más grandes de datos de lo que los registros son capaces de permitir. Las computadoras y otros tipos de sistemas requieren el almacenamiento permanente o semipermanente de un gran número de datos binarios. Los sistemas basados en microprocesador necesitan de los dispositivos de almacenamiento y de las memorias para su funcionamiento, debido a la necesidad de almacenar los programas y mantener los datos generados durante el procesamiento. En la terminología informática, normalmente el término memoria hace referencia a las memorias RAM y ROM y el término almacenamiento hace referencia al disco duro, a los discos flexibles y al CD-ROM. En este capítulo se estudian las memorias semiconductoras, y los medios de almacenamiento magnéticos y ópticos.

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Memoria RAM Memorias de acceso aleatorio (RAM) Las RAM son memorias de lectura-escritura en las que los datos se pueden escribir o leer en cualquier dirección seleccionada en cualquier secuencia. Cuando se escriben los datos en una determinada dirección de la RAM, los datos almacenados previamente son reemplazados por la nueva unidad de datos. Cuando una unidad de datos se lee de una determinada dirección de la RAM, los datos de esa dirección permanecen almacenados y no son borrados por la operación de lectura. Esta operación no destructiva de lectura se puede entender como una copia del contenido de una dirección, dejando dicho contenido intacto. La RAM se utiliza habitualmente para almacenamiento de datos a corto plazo, ya que no puede conservar los datos almacenados cuando se desconecta la alimentación.

La familia de memorias RAM Las dos categorías de memorias RAM son la RAM estática (SRAM) y la RAM dinámica (DRAM). Las RAM estáticas utilizan generalmente latches como elementos de almacenamiento y, por tanto, pueden almacenar datos de forma indefinida siempre que se aplique una alimentación continua. Las RAM dinámicas utilizan condensadores como elemento de almacenamiento y no pueden mantener los datos mucho tiempo sin recargar los condensadores mediante el proceso de refresco. Tanto las SRAM como las DRAM perderán los datos cuando se elimine la alimentación continua, por lo que se clasifican como memorias volátiles. Los datos pueden leerse mucho más rápidamente en una SRAM que en una DRAM. Sin embargo, las DRAM pueden almacenar muchos más datos que las SRAM para un tamaño físico y coste dados, ya que la celda de las DRAM es mucho más sencilla y se pueden incluir muchas más celdas en un área determinada que en una memoria

SRAM.

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RAM estática (SRAM) Celda de memoria. Todas las RAM estáticas se caracterizan por las celdas de memoria latch. Cuando se aplica alimentación continua a una celda de memoria estática se puede mantener un estado 1 o 0 indefinidamente. Si se retira la alimentación, el bit de datos almacenado se perderá. A continuación, se muestra una celda de memoria de tipo latch para la SRAM. La celda se selecciona mediante un nivel activo en la línea Selección de bit y un bit de datos (1 o 0) se escribe en la celda colocándolo en la línea Entrada de datos. Un bit de datos se puede leer extrayéndolo de la línea Salida de datos.

RAM dinámica (DRAM) Las celdas de las memorias dinámicas almacenan un bit de datos en un condensador en lugar de en un latch. La ventaja de este tipo de celda es que es muy sencilla, lo que permite construir matrices de memoria muy grandes en un chip, a un coste por bit más bajo que el de las memorias estáticas. La desventaja es que el condensador de almacenamiento no puede mantenerse cargado más que un período de tiempo, y el dato almacenado se pierde a no ser que su carga se refresque periódicamente. La operación de refresco requiere circuitería de memoria adicional y complica el funcionamiento de la DRAM. La Figura 10.16 presenta una celda típica de una DRAM, formada por un único transistor MOS (MOSFET) y un condensador.

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En este tipo de celda, el transistor actúa como un interruptor. El funcionamiento básico simplificado se ilustra en la Figura 10.17, y es el siguiente. Un nivel BAJO en la línea (modo escritura) activa el buffer de tres estados de entrada y desactiva el buffer de salida. Para escribir un 1 en la celda, la línea DIN debe estar a nivel ALTO, y el transistor debe ser puesto en conducción poniendo un nivel ALTO en la línea de fila. El transistor opera como un interruptor cerrado, que conecta el condensador a la línea de bit. Esta conexión permite al condensador cargarse con una tensión positiva, como muestra la Figura 10.17(a). Cuando se almacena un 0, se aplica un nivel BAJO a la línea DIN. Si el condensador almacenaba un 0, permanece descargado; ahora bien, si almacenaba un 1, se descarga como se indica en la Figura 10.17(b). Cuando la línea de fila vuelve al nivel BAJO, el transistor no conduce y desconecta el condensador de la línea de bit, con lo que la carga (1 o 0) “queda atrapada” en el condensador. Para leer una celda, la línea se pone a nivel ALTO, lo que activa el buffer de salida y desactiva el buffer de entrada. Cuando la línea de fila se pone a nivel ALTO, el transistor conduce y conecta el condensador a la línea de bit y, por tanto, al buffer de salida (amplificador). De esta manera, el bit de datos aparece en la línea de salida de datos (DOUT). Este proceso se ilustra en la Figura 10.17(c). Para refrescar la celda de memoria, la línea, la línea de fila y la línea de refresco se ponen a nivel ALTO. El transistor conduce, conectando el condensador a la línea de bit. El buffer de salida se activa y el bit de datos almacenado se aplica a la entrada del buffer de refresco, el cual se activa mediante el nivel ALTO de la entrada de refresco. Esto da lugar a una tensión en la línea de bit que corresponde al bit almacenado, recargando el condensador como se ilustra en la Figura 10.17(d).

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Memorias ROM La Figura 10.22 muestra cómo se clasifican las memorias ROM semiconductoras. La ROM de máscara es un tipo de memoria en la que los datos se almacenan permanentemente

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en la memoria durante el proceso de fabricación. La PROM, o ROM programable, es aquel tipo de ROM en la que el usuario, con ayuda de equipos especializados, almacena eléctricamente los datos. Tanto la ROM de máscara como la PROM pueden ser de cualquier tecnología MOS o bipolar. La EPROM, o memoria PROM borrable (erasable PROM) es exclusivamente un dispositivo MOS. La UV EPROM puede ser programada eléctricamente por el usuario, pero los datos almacenados deben borrarse mediante la exposición a la luz ultravioleta durante un período de varios minutos. La PROM borrable eléctricamente (EEPROM o E2 PROM, Electrically Erasable PROM) se puede borrar en unos pocos milisegundos.

La ROM de máscara Normalmente, la ROM de máscara se denomina simplemente ROM. Es una memoria programada de forma permanente durante el proceso de fabricación, para proporcionar funciones estándar de uso extendido, tales como conversiones populares, o para proporcionar funciones especificadas por el usuario. Una vez que se programa la memoria, ésta no puede cambiarse. La mayoría de los circuitos integrados ROM utilizan la presencia o ausencia de una conexión de transistor en una unión fila/columna para representar un 1 o un 0. La Figura 10.23 muestra celdas MOS de una ROM. La presencia de una conexión desde una línea de fila a la puerta de un transistor representa un 1 en esa posición, ya que, cuando la línea de fila está a nivel ALTO, todos los transistores con conexión de puerta a esa línea de fila conducen, y ponen a nivel ALTO (1) a las líneas de columna asociadas. En las uniones de fila/columna en las que no existe conexión de puerta, las líneas de columna permanecen a nivel BAJO (0) cuando se direcciona la fila. 24

Una ROM básica Para ilustrar el concepto de ROM, la Figura 10.24 muestra una matriz ROM simplificada. Los cuadrados en color gris claro representan los 1s almacenados y los cuadrados en gris oscuro representan los 0s almacenados. El procedimiento de lectura básico es el siguiente: cuando se aplica un código de dirección binario a las líneas de entrada de dirección, la línea de la fila correspondiente se pone a nivel ALTO. Este nivel ALTO se conecta a las líneas de las columnas a través de los transistores en cada unión (celda) donde se almacena un 1. En cada celda en la que se almacena un 0, la línea de columna permanece a nivel BAJO, debido a la resistencia de terminación. Las líneas de las columnas constituyen la salida de datos. Los ocho bits de datos almacenados en la fila seleccionada se presentan en las líneas de salida. Como puede ver, la ROM de ejemplo de la Figura 10.24 está organizada en 16 direcciones, cada una de las cuales almacena 8 bits de datos. Por tanto, se trata de una ROM de 16 × 8 (16 por 8) y su capacidad total es de 128 bits, o 16 bytes. Las ROM puede utilizar tablas de búsqueda (LUT, Look-Up Table) para realizar conversiones de códigos y generación de función lógicas.

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Memorias EPROM Una EPROM es una PROM borrable. A diferencia de una PROM ordinaria, una EPROM puede ser reprogramada si antes se borra el programa existente en la matriz de memoria.

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Una EPROM utiliza una matriz NMOSFET con una estructura de puerta aislada. La puerta del transistor aislada no tiene ninguna conexión eléctrica y puede almacenar una carga eléctrica durante un período de tiempo indefinido. Los bits de datos en este tipo de matriz se representan mediante la presencia o ausencia de una carga almacenada en la puerta. El borrado de un bit de datos es un proceso que elimina la carga de la puerta. Los dos tipos fundamentales de memorias PROM borrables son las PROM borrables por rayos ultravioleta (UV EPROM) y las PROM borrables eléctricamente (EEPROM). UV EPROM. Una UV EPROM se puede reconocer por la ventana de cuarzo transparente de su encapsulado, como se muestra en la Figura 10.30. La puerta aislada del FET de una EPROM ultravioleta está “flotando” dentro de un material óxido aislante. El proceso de programación hace que los electrones sean

eliminados de la puerta flotante. El borrado se realiza mediante la exposición del chip de la matriz de memoria a una radiación ultravioleta de alta intensidad, a través de la ventana de cuarzo en la parte superior del encapsulado. La carga positiva almacenada en la puerta se neutraliza después de un período de tiempo de entre unos minutos y una hora de exposición. En la Figura 10.31 se representa una UV EPROM típica mediante un diagrama lógico. Su funcionamiento es representativo de otras memorias UV EPROM típicas, de distintos tamaños. Como muestra el símbolo lógico de la Figura 10.31, este dispositivo tiene 2048 direcciones (211 = 2048), cada una con ocho bits. Observe que las ocho salidas son triestado (∇)

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Para leer la memoria, la entrada de habilitación de salida tiene que estar a nivel BAJO y la entrada de habilitación de chip/programación también a nivel BAJO. Para borrar los datos almacenados, el dispositivo se expone a una luz ultravioleta de alta intensidad que pasa a través de la tapa transparente. Una típica lámpara UV borrará los datos en unos 20 ó 25 minutos. Al igual que en la mayoría de las EPROM, tras el borrado todos los bits son 1. La luz ambiente normal contiene la longitud de onda ultravioleta adecuada para hacer que se realice el borrado tras un período de tiempo suficiente. Por tanto, la ventana transparente se ha de mantener tapada. Para programar el dispositivo, se aplica una tensión continua alta a VPP, estando a nivel ALTO. Los ocho bits de datos que van a ser programados en una dirección determinada se aplican a las salidas (Q0 hasta Q7) y se selecciona la dirección en las entradas A0 hasta A10. A continuación, se aplica un impulso a nivel ALTO a la entrada. Las direcciones se pueden programar en cualquier orden. En la Figura 10.32 se muestra un cronograma para el modo de programación. Normalmente, estas señales las produce un programador de dispositivos EPROM.

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Procesamiento de datos Las muestras del convertidor analógico digital y otros datos temporales son almacenadas en la memoria de acceso aleatorio (RAM) del relevador digital. El algoritmo del relevador digital y datos fijos son almacenados en la memoria (ROM). El algoritmo es procesado en la unidad de procesamiento central (CPU). De acuerdo con la lógica del algoritmo, la CPU activará una salida digital para disparar un interruptor en el caso de que el algoritmo detecte una falla (por ejemplo, un incremento de corriente o voltaje). Las entradas digitales informan al relevador digital del estado actual del interruptor de potencia. La CPU a través del módulo de comunicaciones envía y recibe información de otros relevadores o de estaciones de monitoreo y control. Valores de corrientes, tensiones, tiempos de disparo, alarmas y otros, es la información que puede enviar un relevador digital. Los datos recibidos por un relevador digital están relacionados con puntos de ajuste y pruebas de funcionamiento. Hay tres tipos de cálculos que se llevan a cabo en un relevador digital: en línea, fuera de línea y lógica de disparo. Los cálculos fuera de línea se realizan para determinar los parámetros fijos que se usan durante el procesamiento en línea, evitándose de esta manera, cálculos innecesarios durante la operación del relevador. Un ejemplo de estos parámetros es: los coeficientes de los filtros digitales o las tablas de las curvas características. Los cálculos en línea se realizan mientras el relevador está en operación. Por medio de estos cómputos se determinan las magnitudes o fasores de corriente o voltaje actuales; estas magnitudes son obtenidas por medio de algoritmos de procesamiento digital de señales. La lógica de disparo describe las comparaciones que se hacen durante la operación en línea del relevador, estas son necesarias para generar o no generar una señal de disparo. Las comparaciones se realizan con los resultados de los cálculos en línea (magnitud de una corriente o tensión) contra los valores de los ajustes del relevador.

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Referencias bibliográficas [1] "Schweitzer Programmable Automation Controller". Schweitzer Engineering Laboratories. Retrieved 21 November 2012. [2] Garcia Antonio, Leticia (2007, 4 diciembre). MODELO Y APLICACIÓN DE RELEVADORES DIGITALES UTILIZANDO EL ALGORITMO DE MÍNIMOS ERRORES CUADRADOS. Recuperado 10 marzo, 2019, de https://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx/tesise/2008/modeladoleticia.pdf [3] Cortes, Jesús. (2006, 16 mayo). Introducción a los relevadores digitales. Recuperado 10 marzo, 2019, de https://es.pdfcoke.com/doc/51572240/Introduccion-a-los-relevadoresdigitales [4] Dr. Luis Corrales Barrios, (2014, 16 junio). Filtros para relés digitales de protección de sistemas eléctricos. Recuperado 10 marzo, 2019, de file:///C:/Users/OPERACION_PUERTO/Downloads/Filtros%20para%20reles%20digitales %20de%20-%20Luis%20Corrales-Barrios.pdf [5] Harjeet Singh Gill, “A Microprocessor Based System for Protecting Busbars”,A thesis for the Degree of Doctor of Philosophy in the Departament of Electrical Engineering, University of Saskatchewan, Saskatoon, Saskatchewan, Canada,March 2000. [6] Karl Zimmerman, “Microprocessor Based Distribution Applications”,Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., Belleville, IL USA, January 2001. [7] M.M. Chen, W.D. Breingan, T.F. Gallen, “Field experience with a digitalsystem for transmission line protection” IEEE trans. Power App. Syst. Vol PAS-98,pp. 1796-1804, sep/oct 1979. [8] Arun G. Phadke, J.S. Thorp, “Computer Relaying for Power Systems”, JhonWiley and Sons, New York, 1988. [9] Applications for SIPROTEC Protection Relays, Siemens Aktiengesellschaft,Power Transmision and Distribution Energy Automation Division, NuernbergGermany, January 2005. L.FLOYD, T. L. F. (2006a). fundamentos https://electronicautm.files.wordpress.com

de

sistemas

digitales.

Recuperado

de

L.FLOYD, T. L. F. (2006b). fundamentos https://electronicautm.files.wordpress.com

de

sistemas

digitales.

Recuperado

de

30

L.FLOYD, T. L. F. (2006c). fundamentos de sistemas digitales. Recuperado 9 marzo, 2019, de https://electronicautm.files.wordpress.com

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