UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELECTRÓNICA

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELECTRÓNICA DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE ALIMENTACIÓN SOLAR PARA EQUIPOS DE TELEFONÍA MÓVIL Por: Jesús Esteban Querales Golczer INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN EN TÉCNICAS Y DESARROLLO SOCIAL Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Octubre de 2010

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGIA E INGENIERIA ELECTRÓNICA DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE ALIMENTACIÓN SOLAR PARA EQUIPOS DE TELEFONÍA MÓVIL Por: Jesús Esteban Querales Golczer Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Guillermo Villegas Tutor Industrial: José Alfredo Medina INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN EN TÉCNICAS Y DESARROLLO SOCIAL Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Octubre de 2010

3 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGIA E INGENIERIA ELECTRÓNICA Desarrollo de un Prototipo de Sistema de Alimentación Solar para Equipos de Telefonía Móvil Informe Final de Cursos de Cooperación en Técnicas y Desarrollo Social presentado por Jesús Esteban Querales Golczer Tutor Académico: Guillermo Villegas Tutor Industrial: José Alfredo Medina RESUMEN Este informe corresponde al trabajo realizado en la Fundación Centro Nacional de Innovación Tecnológica y forma parte de los diferentes proyectos de investigación y desarrollo que lleva dicha institución con el objetivo de proporcionar soluciones tecnológicas desarrolladas en el país a fin de sustituir productos, partes y piezas importadas por aquellas de producción nacional. El aporte a dicho proyecto consistió en el diseño y construcción de un prototipo de cargador para teléfonos celulares VTELCA, alimentado con un arreglo de celdas solares para su posterior producción en masa y comercialización. El cargador está basado en una fuente conmutada, que cumple la función de acoplador de impedancias con el fin de extraer la máxima potencia de la celda solar. Además se utilizó para elevar el voltaje producido por la celda al requerido para la carga del teléfono celular. Para ello fue necesario el uso de un microcontrolador, que cumple la función de monitorear las variables en tiempo real y realizar la automatización del proceso de búsqueda de la máxima potencia o Maximum Power Point Tracking (MPPT). Finalmente, el trabajo realizado incluyó el diseño y la fabricación de un circuito impreso a ser instalado dentro de una carcasa plástica adecuada para ser presentada como prototipo final con potencial de escalamiento industrial. Palabras Clave: Celdas solares, teléfonos celulares, Fuente conmutada, microcontrolador, medición de corriente, MPPT.

4 A mis padres, Loren y Jesús A mi hermano Carlos y a mi sobrino Santiago Eduardo

5 Agradecimientos A mis padres, por haberme estimulado e impulsado a alcanzar mis sueños. A la universidad, por haberme enseñado tanto en sólo 5 años. A la DIDI (CENIT) por su apoyo en la realización de este proyecto, en especial a José Alfredo, Ronald y Héctor por su ayuda y los buenos momentos en el laboratorio A Amanda Mazzei, por su apoyo en el último año de la carrera.

6 i ÍNDICE GENERAL Índice de Figuras iii Índice de Tablas v INTRODUCCIÓN. 1 Descripción de la Empresa 3 Objetivo General 5 Objetivos Específicos 5 CAPÍTULO II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Celdas Solares Modelo de Celda Solar Curva Característica y Parámetros Importantes Máxima Potencia Convertidores DC-DC Convertidor Elevador Procesamiento de Señales para adaptarlas un microcontrolador Convertidor Analógico-Digital (ADC) Medición de voltaje Medición de corriente 21 CAPÍTULO III. DISEÑO DEL PROTOTIPO Caracterización del Proceso de carga del Teléfono Celular Pruebas Realizadas Caracterización de las Celdas Solares Pruebas Realizadas Convertidor Elevador Amplificador para medición de corriente 3.5 Atenuador para Lectura de Voltaje

7 ii 3.6 Microcontrolador Características requeridas del Microcontrolador Algoritmo del Microcontrolador Primeras Pruebas Simulaciones Pruebas en Protoboard Prototipos en Circuitos Impresos Prototipo Prototipo Ensamblaje del Prototipo Final Diseño del Circuito Impreso (PCB) Construcción del Circuito Impreso (PCBA) 64 CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y ANÁLISIS Resultados de las pruebas de funcionamiento de los prototipos 1 y Resultados de las pruebas de funcionamiento del prototipo Resultados de la carga de un teléfono celular 70 CAPITULO V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 71 Referencias Bibliográficas. 74

8 iii Índice de Figuras Figura 1. Organigrama de DIDI. 4 Figura 2.1. Celdas solares de diferentes tipos. 7 Figura 2.2. Modelo equivalente de la celda solar, propuesto por Lorenzo, G. (1994) 7 Figura Curva característica de la Celda solar. Corriente Vs. Voltaje y Potencia Vs. Voltaje. Figura 2.4. Curva característica de la Celda solar con especificación del punto de máxima potencia. 11 Figura 2.5. Curva I-V de la celda solar e ilustración del Factor de Relleno. 12 Figura 2.6. Convertidor Elevador. 14 Figura 2.7. Gráfica de corriente en el inductor. 15 Figura 2.8. Amplificador No-Inversor. 19 Figura 2.9. Divisor de Voltaje utilizando dos resistencias. 20 Figura Filtro Pasa Bajos Pasivo, de Resultados de las pruebas de funcionamiento de los prototipos 1 y 2orden. 21 Figura Respuesta en Frecuencia de un filtro Pasa-Bajos pasivo, Genérico. 21 Figura Esquemático de la resistencia shunt y sus variables de interés. 22 Figura Esquema de medición con resistencia shunt tipo High Side 22 Figura Esquema de medición con resistencia shunt tipo Low Side. 23 Figura 3.1. Diagrama de bloques del proceso de carga del teléfono celular. 24 Figura 3.2. Esquema de medición de voltaje y corriente de carga de un teléfono celular. 25 Figura 3.3. Teléfono Celular ZTE C366, mejor conocido como Vergatario, ensamblado en Venezuela por VTELCA y distribuido por Movilnet Figura 3.4. Celda solar SparkFun Modelo PRT Dimensiones: 9,4 x 6,1 cm. 27 Figura Diagrama de conexión para la caracterización de una celda solar. 28 Figura 3.6. Curva I-V de la celda solar obtenida bajo pruebas de ambiente soleado. 29 Figura 3.7. Curva I-V de la celda solar obtenida bajo pruebas de ambiente nublado. 32 Figura 3.8. Circuito convertidor elevador, con los valores de los componentes finales. 35 Figura 3.9. Sistema de lectura de corriente con resistencia shunt, filtro pasa bajo y amplificador no-inversor. 36 Figura Diagrama del sistema para la lectura de la corriente, con los valores de los componentes. 40 Figura Divisor de voltaje con los valores de sus componentes y voltajes 41

9 Figura Diagrama de bloques del funcionamiento general del microcontrolador. 42 Figura PIC16F684 en su presentación de encapsulado DIP de 14 pines 43 Figura Diagrama de puertos del PIC16F84 de 14 pines. 44 Figura Programador serial de microcontroladores PIC. 44 Figura Diagrama de flujo del algoritmo de Perturbación y Observación. 46 Figura Diagrama de flujo del algoritmo de tres puntos, propuesto por Jiang (2005). 47 Figura Algoritmo propuesto en este proyecto como mejora al algoritmo de Jiang, J. y Colaboradores. 48 Figura Simulación de circuito para medición de corriente, incluye filtro pasa bajo. 50 Figura Simulación de la curva característica I-V de la celda solar, utilizando el modelo descrito en la sección Figura Cuatro celdas en paralelo y el convertidor elevador, en el simulador. 53 Figura Pantalla LCD 2x16, del modelo GDM1602K de Xiamen Ocular. 55 Figura Fotografía del prototipo Figura Diseño de la tarjeta de circuito impreso correspondiente al prototipo Figura Prototipo 2, ensamblado. 58 Figura Diseño de la tarjeta de circuito impreso correspondiente al prototipo Figura Prototipo 3 60 Figura Circuito Global del prototipo final 61 Figura 3.29 Diseño de la tarjeta de circuito impreso correspondiente al prototipo final. 62 Figura Diseño de la tarjeta de circuito impreso de la pila y el conmutador de encendido. 63 Figura Circuito impreso del prototipo final, ya fabricado. 63 Figura Montaje del prototipo final en una base provisional. 64 Figura Prototipo final listo para ser ensamblado en su presentación final. 65 Figura 3.35 Reflectores utilizados para las pruebas durante el tiempo lluvioso. 68 Figura Fotografía del proceso de medición del voltaje de las celdas solares, bajo iluminación artificial. 69 iv

10 v Índice de Tablas Tabla 2.1 Medición con resitencia Shunt, High Side vs. Low Side. 23 Tabla 3.1, Valores de corriente y voltaje obtenidos en las pruebas de Caracterización de la celda solar bajo condiciones de ambiente soleado, a la 1:00 P.M. 29 Tabla 3.2. Valores de corriente y voltaje obtenidos en las pruebas de Caracterización de la celda solar bajo condiciones de ambiente nublado, a la 3:00 P.M. 31 Tabla 4.1. Resultados de las pruebas realizadas al prototipo 1 66 Tabla 4.2. Resultados de las pruebas realizadas al prototipo Tabla 4.3. Resultados de las pruebas realizadas al prototipo final 70

11 1 INTRODUCCIÓN La búsqueda permanente de nuevos combustibles y fuentes de energías alternativas a las tradicionales, a raíz del aumento de los precios de hidrocarburos y de las consecuencias del cambio climático, forma parte de las políticas estratégicas asumidas por los gobiernos para lograr el desarrollo. Por esto es necesario implementar el uso de las energías renovables, entre las cuales se mencionan las celdas fotovoltaicas. El Estado venezolano promueve la generación de las condiciones tecnológicas, financieras y de investigación necesarias que permitan impulsar los desarrollos tecnológicos hasta alcanzar autonomía y sostenibilidad en las actividades productivas. Se potencian las capacidades de innovar, de mejorar productos existentes o de crear prototipos de nuevos productos, se contribuye a la sustitución de partes y piezas y la disminución de las importaciones, y se abarata el costo de los equipos tecnológicos de uso masivo. A su vez, la creación y fortalecimiento de laboratorios de investigación y desarrollo y la incorporación de academias de educación superior, institutos tecnológicos, fundaciones, etc.; a dichos laboratorios fomenta el uso de la ciencia y la tecnología al servicio de la nación y reduce las diferencias en el acceso al conocimiento. Dado que el efecto fotovoltaico se refiere a la transformación de la energía que transporta la radiación electromagnética en energía eléctrica, se señalan a las celdas solares como el tipo de dispositivo más importante para producir tal conversión y el que ha tenido mayores adelantos y perfeccionamientos tanto en su eficiencia como en su uso. En la actualidad, el uso de las celdas solares se ha venido masificando desde calculadoras, hasta vehículos, hogares, proyectos institucionales, satelitales y espaciales, en la medida que los avances tecnológicos han permitido utilizarlas de

12 2 manera eficaz y a un costo más razonable. Particularmente, en el campo de las telecomunicaciones se encuentra en plena expansión como consecuencia de numerosos proyectos de satélites de observación y de comunicaciones. Por esas razones, debido que el mercado de producción de celdas solares se ha masificado, el costo de producción de las mismas ha bajado considerablemente, permitiendo que los productos solares lleguen al mercado de uso personal. El Proyecto desarrollado en esta Pasantía atendió a la necesidad de diseñar y construir un prototipo de cargador para teléfonos celulares, utilizando celdas solares, las cuales permitirán aprovechar la energía solar en lugares donde el acceso a la energía eléctrica es limitado o nulo. En el presente proyecto se presenta un planteamiento metódico conformado por cinco (5) capítulos. El Capítulo I aborda el problema delineando los objetivos de la investigación que guiaron el desarrollo de la misma. El Capítulo II abarca la explicación de todos los conceptos teóricos involucrados en este proyecto. El Capítulo III describe el proceso de diseño del prototipo, así como el cálculo de los valores de los componentes requeridos para su correcto funcionamiento. El Capítulo IV presenta los resultados de la investigación y de las pruebas realizadas a los prototipos, así como el diseño de las tarjetas de circuito impreso correspondientes a cada prototipo y un análisis de los resultados obtenidos. En el Capítulo V se incluyen las conclusiones y recomendaciones inherentes a este proyecto, las cuales sirven para obtener una idea general del trabajo realizado y deja una buena base para la futura expansión y escalabilidad de este proyecto.

13 3 Descripción de la Empresa El Centro Nacional de Innovación Tecnológica tiene como misión contribuir al desarrollo y fortalecimiento de la capacidad nacional de los sectores científico, tecnológico, educativo y productivo, y a la apropiación social de las tecnologías, mediante la construcción de una red de investigación, desarrollo e innovación, en articulación con el Sistema Nacional de Ciencia Tecnología e Innovación. Su visión es ser un centro de investigación, desarrollo e innovación tecnológica ampliamente reconocido por la capacidad creativa de su talento humano, su contribución al desarrollo de las comunidades, al modelo de producción socialista, y su impacto en el país y la región latinoamericana. La Fundación Centro Nacional de Innovación Tecnológica, CENIT, entre sus objetivos estratégicos como institución establece: Impulsar la innovación tecnológica para apoyar el modelo de producción socialista. Participar en el desarrollo y fortalecimiento de la capacidad tecnológica de la industria nacional. Contribuir a consolidar un sistema de investigación, desarrollo e innovación tecnológica que responda a las necesidades y requerimientos del país. Esta pasantía estuvo adscrita a la Dirección de Investigación, de Desarrollo en Innovación (DIDI) la cual forma parte de la estructura organizativa del Centro Nacional de Innovación Tecnológica, y cuyo organigrama se muestra en la figura 1. Específicamente, el desarrollo de este trabajo de grado estuvo bajo la supervisión del analista de producción.

14 Figura 1. Organigrama de DIDI. 4

15 5 Objetivo General Diseñar y construir un prototipo de cargador para teléfonos celulares VTELCA alimentado con un arreglo de celdas solares para su posterior producción en masa y comercialización. Objetivos Específicos 1. Identificar las características del proceso de carga del teléfono celular modelo C366 de VTELCA. 2. Identificar las características técnicas de las celdas solares modelo SparkFun PRT Diseñar el sistema global del cargador solar 4. Seleccionar la topología del sistema conversor de energía apropiado 5. Diseñar sistemas para monitorear variables en tiempo real de corriente y voltaje de las celdas solares mediante el uso de un microcontrolador 6. Diseñar un algoritmo que interprete las variables leídas por el microcontrolador y sea capaz de rastrear el punto de máxima potencia de la celda solar. 7. Diseñar la tarjeta de circuito impreso correspondiente 8. Ensamblar el prototipo en su versión definitiva

16 6 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2. Celdas Solares Según menciona Luque, A. (2003) El término Fotovoltaico se refiere a la tecnología que genera potencia en forma de corriente directa (DC) a partir de semiconductores cuando son iluminados por fotones. Mientras la luz brille sobre la celda solar (el nombre del elemento fotovoltaico individual), generará potencia eléctrica. Si la luz se apaga, la electricidad se detiene. En resumen Existen diferentes tipos de celdas solares y diferentes materiales para su elaboración, entre ellos: Película delgada (basadas en Teluro de Cadmio) Silicio Monocristalino Silicio Policristalino Múltiples Uniones (Basadas en Arseniuro de Galio) En la figura 2.1 se muestran dos tipos de celdas solares, la primera (izquierda) de silicio policristalino y la segunda (derecha) de silicio monocristalino. Esta última es el tipo de celda solar más utilizado.

17 7 Figura 2.1. Celdas solares de diferentes tipos. Fotos: Scott Robinson 2.1 Modelo de Celda Solar Para entender el funcionamiento de una celda solar es importante estudiar el modelo eléctrico equivalente, basado en componentes discretos cuyo comportamiento es conocido. Lorenzo, E. (1994) comprobó que una celda solar ideal puede modelarse como una fuente de corriente conectada en paralelo con un diodo. Como ninguna celda es ideal, se añaden resistencias en serie y en paralelo al modelo, lo que resulta en el siguiente diagrama, que se muestra en la figura 2.2. Figura 2.2. Modelo equivalente de la celda solar, propuesto por Lorenzo, G. (1994) Fuente: Wikimedia Commons

18 8 Del circuito equivalente se puede obtener una ecuación de corriente, como se muestra en la ecuación 2.1. (2.1) Donde: = Corriente de Salida (A) = Corriente generada por la Celda (A) = Corriente del diodo (A) = Corriente de la resistencia en Paralelo (A) La ecuación 2.2 refleja que la corriente que fluye por estos elementos depende del voltaje de los mismos. (2.2) Donde: = Voltaje del diodo y de la Resistencia (V) = Voltaje a través de los terminales de Salida (V) = Corriente de Salida (A) = Resistencia en Serie (Ω) La ecuación 2.3 nos permite resolver la corriente que circula por el diodo en función de su corriente de saturación y el voltaje de polarización. { [ ] } (2.3) Donde:

19 9 Corriente de saturación. Factor de idealidad del diodo. Carga del electrón. Constante de Boltzmann. Temperatura. Por ley de ohm, la corriente a través de la resistencia en paralelo utilizando la ecuación 2.4: se calcula (2.4) = Resistencia en paralelo (Ω). Sustituyendo las ecuaciones (2.2) en (2.3) y ésta junto con (2.4) en (2.1) se obtiene la ecuación característica de la celda solar, que se expresa a continuación (2.5). { [ ( ) ] } (2.5) Dicha ecuación relaciona los parámetros de la celda con el voltaje y la corriente de salida. Sin embargo, la ecuación involucra una función trascendental que no tiene una solución analítica, por lo que ésta debe ser resuelta utilizando métodos numéricos, o la función de Lambert. Como los parámetros,, y no pueden ser medidos directamente, es posible extraer los valores de estos parámetros utilizando regresión lineal, observando el efecto que tengan sobre el comportamiento de la celda. Cuando la celda opera en circuito abierto, y el voltaje en los terminales de salida se define como Voltaje de Circuito Abierto o. Asumiendo que la Resistencia en paralelo es lo suficientemente grande, se obtiene la ecuación 2.6.

20 10 ( ) (2.6) Cuando la celda opera en corto-circuito, y la corriente a través de los terminales de salida se define como la Corriente de Corto-circuito o. Para una celda solar con baja Resistencia en serie y alta resistencia en paralelo se puede aproximar este valor a, por lo que se puede decir que Curva Característica y parámetros importantes La curva característica de una celda irradiada bajo condiciones de luz solar constantes se muestra en la figura 2.3. Figura Curva característica de la Celda solar. Corriente Vs. Voltaje y Potencia Vs. Voltaje. Fuente: Photovoltaic Education Network En la figura 2.3 se observa que la potencia entregada por la celda es máxima en un solo punto de la curva, por lo que la única forma de controlar la potencia entregada por la misma es al variando la resistencia de carga conectada, cuyo valor óptimo dependerá de las características de la curva en cuestión.

21 11 La figura 2.4 sugiere un punto de corriente, que se denomina Corriente de Máxima Potencia y un punto de voltaje, que se denomina Voltaje de Máxima Potencia. Figura 2.4. Curva característica de la Celda solar con especificación del punto de máxima potencia e. Fuente: National Instruments Al conocer el voltaje y corriente en el punto de máxima potencia se puede definir el valor de la resistencia de carga que debe conectarse a los terminales de la celda para obtener su máxima potencia, como refleja la ecuación 2.7. (2.7) Otro parámetro importante de una celda solar es el Factor de Relleno o Fill Factor, que es una medida de calidad del dispositivo. Se calcula comparando la máxima potencia con una potencia teórica que resultaría de combinar un voltaje de salida igual al voltaje de circuito abierto con una corriente igual a la corriente de corto-circuito, como lo expresa la ecuación 2.8 y gráficamente en la figura 2.5. (2.8)

22 12 Figura 2.5. Curva I-V de la celda solar e ilustración del Factor de Relleno. Fuente: National Instruments Developer Zone Se desea un factor de relleno lo más alto posible. FF altos corresponden a curvas I-V más parecidas a un rectángulo. El orden de los FF oscila entre 0,5 y 0,82 y también puede ser representado en porcentaje Máxima potencia Si la celda se conecta directamente a un dispositivo electrónico como fuente de alimentación, ésta no estaría entregando su máxima potencia ni tampoco garantizaría la energía necesaria para que opere correctamente, ya que la resistencia de entrada equivalente del circuito lo situaría en un punto de la curva que no es el óptimo. Para poder lograr una la máxima obtención de potencia de la celda solar es necesario conectar a la misma un dispositivo que sea capaz de cambiar el punto de operación de la celda según las lecturas instantáneas de corriente y voltaje, ya que si las condiciones de intensidad de luz cambian, el punto de máxima potencia puede variar. Para lograr este objetivo de la manera más práctica posible, lo más recomendado es utilizar un convertidor DC-DC como acoplador de impedancias. Para esta aplicación, el uso de dichos convertidores se conoce como rastreador de máxima potencia o MPPT.

23 Convertidores DC-DC Un convertidor DC-DC es un circuito electrónico que convierte una fuente de corriente directa de un nivel de voltaje a otro. También es llamado convertidor de potencia. Existe una gran variedad de convertidores DC-DC, pero para el interés de este proyecto se estudiaron los de tipo conmutado, que se caracterizan por implementar elementos almacenadores de energía (condensadores y/o inductores), los cuales se cargan temporalmente y luego liberan la carga a la salida a un voltaje distinto. La gran ventaja de estos convertidores radica en su eficiencia, que en la mayoría de los casos es superior a 75%, lo que propicia poca pérdida de energía. Entre los diferentes tipos de convertidores basados en conmutación se encuentran el Reductor, Elevador y Reductor-Elevador. El convertidor Reductor produce un voltaje de salida menor al voltaje de entrada. El elevador, de la misma forma, produce un voltaje de salida mayor al voltaje de entrada. El convertidor Reductor-Elevador, es capaz de producir voltajes de salida tanto menores como mayores al voltaje de entrada, pero con la polaridad invertida Convertidor Elevador Para el desarrollo de este trabajo, se utilizó el convertidor elevador, debido a que el voltaje de operación de la celda se ubica por debajo del voltaje de carga del teléfono celular, lo que indica que es necesario aumentar el voltaje. Éste tipo de convertidor, como su nombre lo indica, produce un voltaje de salida mayor al voltaje de entrada. Contiene dos elementos semiconductores que actúan como conmutadores, los cuales son un Diodo y un Transistor, y al menos un elemento almacenador de energía, que en este caso es un Inductor. Su circuito esquemático se presenta en la figura 2.6.

24 14 Figura 2.6. Convertidor Elevador. Fuente: Elaboración Propia Referencia: Introduction to Power Electronics, Hart, D. (1997) También utiliza un condensador a la salida para estabilizar el voltaje y reducir el rizado. Según Hart, D. (1997), la expresión que relaciona el voltaje de salida con el voltaje de entrada en el convertidor elevador se muestra en la ecuación 2.9. (2.9) Donde: = Voltaje de Salida = Voltaje de Entrada = Ciclo de Trabajo Para garantizar que el circuito opera en corriente permanente, es decir, que el inductor siempre tenga una corriente mayor que cero, se debe cumplir la ecuación ( ) (2.10) Donde: = Valor mínimo de la inductancia. = Resistencia de Carga.

25 15 = Frecuencia de conmutación La corriente del inductor tiene características de señal triangular, como se muestra en la figura 2.7. Figura 2.7. Gráfica de corriente en el inductor. Fuente: Elaboración propia. De la gráfica de corriente es de interés conocer datos como la variación de la corriente en el inductor, la cual se denomina, cuya frecuencia de rizado ocurre a la frecuencia de conmutación. La señal triangular que representa la corriente del inductor se puede representar como una DC sumada con una señal triangular de frecuencia. El promedio o valor DC de la señal viene dado por la ecuación (2.11) El valor pico de la componente AC de la corriente del inductor viene dada por la ecuación (2.12) Suponiendo que el convertidor es ideal, y al ser un dispositivo que no consume energía si no que la convierte y la transfiere a la carga, podemos asumir que la

26 potencia de salida es igual a la potencia de entrada, como se muestra en la ecuación (2.13) Donde: = Potencia de Salida = Potencia de entrada. = Corriente de Salida o de carga = Corriente de Entrada Al sustituir la ecuación 2.9 en la ecuación 2.13 se obtiene una relación entre la corriente de entrada, la de salida y el ciclo de trabajo, como se muestra en la ecuación ( ) (2.14) Al tener una relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada, junto con la relación del voltaje de salida y el voltaje de entrada se puede obtener una relación entre la resistencia de carga y la impedancia de entrada del convertidor elevador, tomando en cuenta que y, dividiendo las ecuaciones 2.9 con 2.14, se obtiene la expresión de resistencias, como se muestra en la ecuación 2.15a. Lo que resulta en: ( ) (2.15a) ( ) (2.15b)

27 17 Despejando la impedancia de entrada: ( ) (2.15c) Esto quiere decir que al tener una resistencia de carga constante, se puede obtener un valor de resistencia de entrada, con sólo variar el ciclo de trabajo. Es importante destacar que la resistencia de entrada resultante tiene un valor menor o igual al valor de la resistencia de carga. Si se conocen ambos valores de resistencias de entrada y de carga, puede despejarse la ecuación para obtener el valor del ciclo de trabajo. (2.15d) Adicionalmente, también es de interés conocer la ecuación de la corriente promedio en el diodo, la cual depende exclusivamente del ciclo de trabajo y de la corriente promedio en el inductor. De esta forma, la ecuación 2.16 representa la corriente promedio en el diodo. ( ) ( ) (2.16) Para relacionar el voltaje de rizado en la salida con la capacitancia se utiliza la ecuación (2.17) 2.3 Procesamiento de Señales para adaptarlas a un Microcontrolador Para realizar lecturas de valores de corriente y voltaje utilizando un microcontrolador, es necesario que exista una relación lineal entre el valor de la señal medida con el voltaje que se le introduce al convertidor analógico digital (ADC), dicho objetivo se logra utilizando circuitos acondicionadores de señales, con la ayuda de amplificadores operacionales (Op-Amps).

28 Convertidor Analógico Digital (ADC). Un convertidor analógico digital es un dispositivo que convierte una cantidad continua o analógica (típicamente voltaje) en un número digital discreto, proporcional a la magnitud del voltaje de entrada. El resultado puede expresarse en diferentes esquemas de código, pero típicamente se expresa en un número binario del tipo complemento a 2. Es utilizado en aplicaciones de medición aislada y también para cuantizar señales variantes en el tiempo. Algunos microcontroladores comerciales incluyen uno o varios canales de conversión analógica-digital, los cuales son útiles para monitorear los periféricos o circuitería externa al mismo. Previamente, antes de introducir una señal en el microcontrolador, es conveniente conocer las características de la misma y adaptarla para que se realice una buena lectura, con precisión y con el menor ruido posible. Para adecuar señales se tienen diferentes opciones, entre las cuales se encuentran: Amplificadores Atenuadores Filtros Con anterioridad al diseño o a la implementación de alguno de estos circuitos procesadores de señales resulta indispensable conocer las características de la entrada del convertidor analógico-digital del microcontrolador, como por ejemplo el rango de voltaje permitido, la precisión y la impedancia de entrada Medición de Voltaje Para realizar mediciones de voltaje utilizando un convertidor analógico digital, es fundamental realizar un tratamiento para que la medición sea lo más precisa posible.

29 19 Amplificación: Si nuestra señal es pequeña, es decir, que su valor máximo se encuentra muy por debajo del voltaje de alimentación del microcontrolador (Típicamente 5V o 3.3V), conviene efectuar una amplificación de la señal. Para lograr este objetivo típicamente se utiliza un amplificador operacional en modalidad de no-inversor, ya que el modo de alimentación es de fuente simple y el voltaje es positivo en todo momento. El circuito esquemático del amplificador no inversor se muestra en la figura 2.8, y la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada en la ecuación Figura 2.8. Amplificador No-Inversor. Fuente: Elaboración Propia ( ) (2.18) Atenuación: Existen casos donde la señal que se quiere adquirir se encuentra en un rango de voltaje mayor al de operación (alimentación) de nuestro circuito principal, por lo que es necesario hacer una atenuación de la misma, de manera que el máximo voltaje posible en la entrada quede atenuado a un valor por debajo del voltaje de alimentación, para evitar una lectura errónea debido a la saturación del

30 20 amplificador de lectura del convertidor analógico digital. La manera más práctica de lograr esto es utilizando un divisor de voltaje, como se muestra en la figura 2.9, y cuya ecuación es la Figura 2.9. Divisor de Voltaje utilizando dos resistencias. Fuente: Elaboración Propia ( ) (2.19) Nótese que si se utiliza, se obtiene una reducción del voltaje a la mitad. La desventaja de utilizar este circuito de manera pasiva (sin el uso de amplificadores operacionales) es que la impedancia de salida de este circuito es alta, por lo que al conectarlo a un circuito externo podría ocurrir un cambio en el voltaje de salida. Filtros: En caso que una señal tenga componentes de alta frecuencia (rizado) o ruido, se puede implementar un filtro pasa-bajos para reducir la presencia de dichos componentes. Los filtros pasa-bajos simplemente ayudan a atenuar las altas frecuencias en señales de baja fluctuación, eliminando ruidos que pueden proporcionar errores de lectura. El esquemático se muestra en la figura 2.10 y la frecuencia de corte se calcula utilizando la ecuación La curva de respuesta en frecuencia se muestra en la figura 2.11.

31 21 Figura Filtro Pasa Bajos Pasivo, de primer orden. Fuente: Elaboración Propia Figura Respuesta en Frecuencia de un filtro Pasa-Bajos pasivo, Genérico. Fuente: Elaboración Propia (2.20) Donde: = frecuencia de corte del filtro pasa bajo (Hz) Nótese que para frecuencias bajas la atenuación es poca, pero para frecuencias altas se logra una buena atenuación Medición de Corriente Para realizar mediciones de corriente para una posterior lectura con un microcontrolador, se pueden utilizar diversos métodos, entre los cuales se encuentran la medición con resistencia tipo shunt, con medidores de efecto hall.

32 22 Medición de corriente utilizando una resistencia tipo shunt : Uno de los métodos de medición de corriente más utilizados consta de una resistencia de bajo valor, pero de alta precisión, que se coloca en serie con el cable o pista al que se le desea medir la magnitud de la corriente que circula por él. Por la ley de Ohm, el voltaje de la resistencia se expresa en la ecuación Un esquema se muestra en la figura (2.21) Figura Esquemático de la resistencia shunt y sus variables de interés. Fuente: Elaboración Propia Para realizar mediciones de este tipo se tienen dos alternativas, la primera, realizando la medición sobre el hilo vivo, donde se coloca la resistencia shunt antes de la carga, y la segunda, sobre el hilo muerto, donde se coloca la resistencia shunt después de la carga, en el camino de tierra. Diagramas explicativos se muestran en las figuras 2.13 y Figura Esquema de medición con resistencia shunt tipo High Side Fuente: Elaboración Propia

33 23 Figura Esquema de medición con resistencia shunt tipo Low Side. Fuente: Elaboración Propia Las principales diferencias de la medición sobre el hilo vivo respecto a la del hilo muerto se muestran en la Tabla 1.1. Tabla 1.1 Medición con resistencia Shunt, High Side vs. Low Side. Hilo Vivo o high side Voltaje Alto respecto a Tierra Presencia de voltajes en modo común Carga conectada directamente a tierra Hilo Muerto o low side Voltaje Bajo respecto a tierra Elimina voltajes en modo común Carga aislada de la tierra El valor de la resistencia shunt se escoge según la máxima corriente que deseamos medir, de manera que la caída de voltaje máxima en la resistencia sea entre 50mV y 75mV y no se introduzcan pérdidas de voltaje adicionales que afecten la carga. La ecuación 2.22 expresa la fórmula para calcular dicha resistencia. (2.22) La gran ventaja de este tipo de medición es que no requiere componentes de gran tamaño en caso que la corriente sea muy baja, pero tiene la desventaja de que introduce pérdidas de voltaje, aunque poco significativas.

34 24 CAPITULO 3 DISEÑO DEL PROTOTIPO 3.1 Estudio del Proceso de carga del Teléfono Celular Para poder establecer las características de la capacidad de carga del prototipo a diseñar, es necesario realizar pruebas para determinar los parámetros del proceso de carga de un teléfono celular en condiciones normales (conectado a la a línea de 110V a través de un transformador). Para poder realizar las pruebas, se utilizó el transformador o cargador que viene incluido con el teléfono celular ZTE C366, cuyas características nominales son: Voltaje: 5V en Corriente Continua o DC. Corriente: 700mA máximo. El diagrama de bloques de dicho cargador se muestra en la figura 3.1. Figura 3.1. Diagrama de bloques del proceso de carga del teléfono celular. Fuente: Elaboración propia. Para realizar una prueba sobre el proceso de carga es necesario efectuar mediciones con dos multímetros, midiendo el voltaje de carga y la corriente de carga al mismo tiempo. Para medir la corriente se debe cortar el cable y colocar el

35 amperímetro en serie, ya sea por el vivo (positivo) o muerto (negativo). El diagrama se muestra en la figura Figura 3.2. Esquema de medición de voltaje y corriente de carga de un teléfono celular. Fuente: Elaboración propia. Durante la investigación realizada se observó que el teléfono celular posee un circuito de regulación interno, la magnitud de la potencia recibida por dicho circuito no sufre variaciones durante todo el proceso de carga, sólo experimenta cambios de encendido y apagado, según el requerimiento de la batería. Cuando la batería posee poca carga, el circuito permanece más tiempo encendido y cuando la batería está alcanzando la carga completa, el circuito permanece más tiempo apagado. Al obtener un valor de corriente y uno de voltaje se puede calcular el valor de potencia, utilizando la ecuación 3.1. (3.1) Al hacer una observación durante todo el proceso de carga se obtiene el valor de la potencia de carga máxima, la cual no varía respecto a la medida. De esta manera, se tiene a disposición el valor de potencia máxima necesaria para realizar la carga de un teléfono celular. También es de interés obtener el valor de la resistencia equivalente de carga mínima, que se calcula utilizando la ecuación 3.2. (3.2) De esta forma se obtiene un valor de resistencia equivalente a conectar el teléfono celular al dispositivo de carga, lo que es muy útil para realizar simulaciones y pruebas del prototipo.

36 Pruebas Realizadas En el caso inherente a este proyecto, el modelo de teléfono celular al que se le realizó el diseño es un C366 de la marca ZTE, ensamblado por Venezolana de Telecomunicaciones, C.A. (VTELCA), cuya fotografía se muestra en la figura 3.3. Figura 3.3. Teléfono Celular ZTE C366, mejor conocido como Vergatario, ensamblado en Venezuela por VTELCA y distribuido por Movilnet Foto: Wesley Muniz Según las pruebas de carga realizadas, utilizando el cargador de pared incluido con el teléfono, se obtuvieron los siguientes valores de corriente y de voltaje:

37 De esta manera, utilizando las ecuaciones 3.1 y 3.2, obtenemos la potencia máxima y la resistencia de carga mínima equivalente Caracterización de las Celdas Solares Para poder conocer el funcionamiento y la capacidad de entrega de potencia de una celda solar, es necesario obtener su curva I-V correspondiente, lo que se logra obteniendo pares de medición de voltaje y corriente de operación de la celda en un amplio rango de resistencias de carga. Las celdas solares utilizadas en el presente proyecto son de la marca SparkFun, modelo PRT-07845, que tiene una potencia nominal de 0.45 W. La celda solar se muestra en la figura 3.4. Figura 3.4. Celda solar SparkFun Modelo PRT Dimensiones: 9,4 x 6,1 cm. Fuente: SparkFun Electronics

38 28 Bajo luz solar intensa, a las 12:00 P.M. Los máximos valores de voltaje de circuito abierto y corriente de corto-circuito medidos con el multímetro, correspondientes a este modelo son: Pruebas Realizadas Se realizaron pruebas bajo luz solar intensa, de mediodía y bajo condiciones de ambiente nublado, utilizando un potenciómetro de 1KΩ conectado directamente a los terminales de salida de la celda, como se muestra en la figura 3.5. Se utilizó un multímetro para medir el voltaje de la celda y otro para medir la corriente de la celda. Los resultados se muestran en la tabla 3.1 y gráficamente en la figura 3.6. Figura Diagrama de conexión para la caracterización de una celda solar. Fuente: Elaboración propia.

39 Tabla 3.1, Valores de corriente y voltaje obtenidos en las pruebas de Caracterización de la celda solar bajo condiciones de ambiente soleado, a la 1:00 P.M. Voltaje (V) Corriente (ma) Potencia (mw) 4,96 3,53 17,5 4,94 8,34 41,2 4,92 11,11 54,7 4,88 16,23 79,2 4, ,3 4,73 35,8 169,3 4,69 40,7 190,9 4,54 53, ,47 59,3 265,1 4,43 62,8 278,2 4,33 70, ,18 78,5 328,1 3,87 89,3 345,6 3,04 97,4 296,1 2,45 98,7 241,8 2, ,9 1,01 99,8 100,8 0,11 100, Corriente Vs. Voltaje y Potencia Vs. Voltaje Ambiente Soleado, 1:00 PM ,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 Corriente (ma) Vs. Voltaje (V) Potencia (mw) Vs. Voltaje (V) Figura 3.6. Curva I-V de la celda solar obtenida bajo pruebas de ambiente soleado.

40 30 Tanto en la tabla como en el gráfico anterior se puede observar el punto de máxima potencia, ubicado alrededor de los 350mW, por lo que se puede ahora asignar valores a los siguientes parámetros de interés, que son el voltaje de máxima potencia, corriente de máxima potencia, y calcular el valor de la resistencia de carga requerida para extraer la máxima potencia de la celda, utilizando la ecuación 1.8. Habiendo obtenido estos datos, se puede proceder a calcular el factor de relleno o FF, utilizando la ecuación 2.8. (2.8) Bajo ambiente nublado se realizó una recolección de datos de la misma forma como se hizo con ambiente soleado. Los resultados se muestran en la tabla 3.2 y gráficamente en la figura 3.7.

41 Tabla 3.2. Valores de corriente y voltaje obtenidos en las pruebas de Caracterización de la celda solar bajo condiciones de ambiente nublado, a la 3:00 P.M. Voltaje (V) Corriente (ma) Potencia (mw) 4,62 3,23 14,9 4,61 3, ,59 3,84 17,6 4,58 3,98 18,2 4,57 4,1 18,7 4,55 4,36 19,8 4,53 5, ,52 5,43 24,5 4,51 5,63 25,4 4,48 6, ,44 6,92 30,7 4,43 7,14 31,6 4,4 7,74 34,1 4,37 8,18 35,7 4,33 8,9 38,5 4, ,5 4,18 10,81 45,2 4,1 11,64 47,7 3,99 12,48 49,8 3,83 13,44 51,5 3,21 15,14 48,6 2,93 15,47 45,3271 2,1 15,89 33,369 1,12 16,03 17,9536 1,03 16,04 16,5212 0,02 16,15 0,323 31

42 32 Figura 3.7. Curva I-V de la celda solar obtenida bajo pruebas de ambiente nublado. Tanto en la tabla como en el gráfico anterior se puede observar el punto de máxima potencia bajo condiciones de ambiente nublado, ubicado alrededor de los 50mW, ahora se calculan, bajo estas condiciones, los parámetros de interés que se calcularon anteriormente:

43 Convertidor Elevador Al conocer el valor de la resistencia de carga requerida para extraer la máxima potencia de la celda, se puede utilizar dicho valor para diseñar el convertidor elevador. Los parámetros que se deben calcular son: La inductancia, la capacitancia, la frecuencia de conmutación y el valor del ciclo de trabajo para una carga fija equivalente a la del teléfono celular. También debe establecerse qué tipo de diodo y qué tipo de interruptor analógico se utilizará. Como ya se estudió en el capítulo II, sección 2.2.1, la ecuación 2.15c nos relaciona la impedancia de entrada del convertidor con la resistencia de carga conectada al mismo. También se sabe que bajo condiciones de luz solar intensa, para obtener la máxima potencia, la resistencia de carga requerida de una celda es pero al tener cuatro celdas en paralelo, y que la resistencia de carga mínima del teléfono celular es aproximado del ciclo de trabajo, utilizando la ecuación 2.15d. por lo tanto, podemos obtener un valor (2.15d) Lo que equivale a un ciclo de trabajo de 30,6%. Se conoce el voltaje de entrada del convertidor elevador, que es el voltaje de máxima potencia y se tiene el valor del ciclo de trabajo en este estado, por lo que se puede calcular el valor del voltaje de salida teórico del convertidor elevador, utilizando la ecuación 2.9. (2.9) Teóricamente el voltaje de salida puede parecer un poco alto, pero tomando en cuenta las pérdidas introducidas por la no-idealidad del inductor y del diodo, éste voltaje queda reducido cuando el circuito es llevado a la práctica. Conociendo el voltaje de salida y la resistencia de carga, es de interés calcular la corriente de carga, utilizando la ecuación de la ley de Ohm.

44 34 Como fue antes mencionado, el valor de esta corriente es teórico y en la práctica puede disminuir. Por conveniencia, se establece la frecuencia de conmutación en un valor arbitrario, sin embargo, éste valor puede ser fácilmente modificado para futuros diseños, haciendo un cambio en el código del microcontrolador. Para una máxima eficiencia del convertidor elevador, es preferible utilizar diodos de recuperación muy rápida y de caída de voltaje pequeña. El diodo comercial ideal para esta aplicación es el Schottky BYS (Ver hoja de datos en el anexo 1), que tiene un voltaje en directo. De esta misma forma se escoge el transistor, cuya velocidad de conmutación debe ser muy rápida y su resistencia en activo muy baja para evitar disipación de potencia. El modelo escogido es el IRF540n, que tiene características de conmutador analógico con tecnología MOSFET. Para calcular el valor de la inductancia, se utiliza la ecuación ( ) (2.10) Sin embargo, se sugiere utilizar un valor de inductancia más alto para reducir el rizado de corriente. De esta manera establecemos el valor de la inductancia a utilizar, cuyo valor comercial más cercano disponible en el mercado es de o. Para calcular la capacitancia utilizamos la ecuación Como se quiere un rizado menor al 0,5%. De manera que. Y el valor de la capacitancia se obtiene:

45 35 (2.17) El esquema del convertidor elevador diseñado, con los valores de sus componentes se muestra en la figura 3.8. Figura 3.8. Circuito convertidor elevador, con los valores de los componentes finales. Fuente: Elaboración propia Amplificador para medición de corriente En el circuito propuesto está incluido un sistema que es capaz de monitorear la corriente que entrega la celda solar. Para lograr eso es necesario implementar una resistencia tipo shunt junto con un amplificador no-inversor, para que el microcontrolador realice una correcta lectura del valor instantáneo de corriente de la celda solar. En la figura 3.9 se observa el circuito del sistema de lectura de corriente, incluyendo la resistencia tipo shunt.

46 36 Figura 3.9. Sistema de lectura de corriente con resistencia shunt, filtro pasa bajo y amplificador no-inversor. Fuente: Elaboración propia. Primero se debe calcular la corriente máxima que puede entregar el arreglo de celdas solares en un momento dado. La corriente máxima de una celda solar, como lo indica su gráfica I-V no es más que la corriente de corto-circuito. Al haber cuatro celdas solares colocadas en paralelo, su corriente se multiplica por cuatro. Por lo tanto: Se calcula el valor de la resistencia shunt utilizando la ecuación (2.21) Aproximando el valor al de una resistencia comercial: La potencia consumida por dicha resistencia sería: Dicha potencia representa, aproximadamente, el 1% de la potencia total del circuito, por lo que se puede decir que su implementación no afectaría su funcionamiento global.

47 37 Para poder realizar una buena lectura de corriente con el convertidor analógico digital, debemos primero conocer las características de la señal de voltaje producida por la resistencia, el cual se denomina. Utilizando un inductor de 1 mh, se puede calcular la corriente máxima y mínima del inductor a partir del voltaje aplicado al mismo. Como lo enuncia Hart D. (2001), en la ecuación 6.19 de su libro Introduction to Power Electronics. De esta forma obtenemos el valor pico de la componente AC de la corriente en el inductor. Dado que la corriente que circula por el inductor es la misma que circula por la resistencia shunt, entonces, el voltaje pico en AC de la resistencia shunt se expresa: La corriente promedio máxima que circula por el inductor se puede aproximar a la corriente de máxima potencia entregada por el arreglo de celdas solares, que no es más que la multiplicación por cuatro de la corriente de máxima potencia correspondiente a una celda solar, que es conocida. De esta manera se calcula el voltaje promedio en la resistencia shunt. Conociendo ahora las características de la señal a tratar, se puede proceder a diseñar el filtro pasa bajos y el amplificador no inversor.

48 38 La ganancia del amplificador no inversor, además de las características de la propia señal a tratar, se ve afectada por el voltaje de operación del circuito. El amplificador operacional elegido para esta aplicación, por su amplio rango de voltajes de operación es el LM 324, pero en su versión de empaque dual, cuyo código es LM 358. El rango de operación del LM 358 es, aproximadamente entre VEE y VCC-1V, y debido al bajo voltaje de alimentación utilizado, es el circuito integrado comercial más adecuado para esta aplicación. El voltaje máximo de la salida del operacional se calcula utilizando la ecuación (3.3). (3.3) El Voltaje mínimo en la salida es, ya que el LM 358 es capaz de colocar en la salida voltajes tan pequeños como su voltaje de alimentación negativa. La ganancia máxima del amplificador será entonces la máxima salida permitida por el amplificador operacional ( ) entre el máximo voltaje de entrada posible, como se calcula en la ecuación (3.4). Recordemos que, como se observa en la figura (3,10) la señal de entrada del amplificador no inversor ya fue filtrada, por lo que se toma como. (3.4) Para dejar un margen de seguridad y por conveniencia, fijamos la ganancia del amplificador operacional en, lo que nos lleva a elegir los valores de las resistencias, según la ecuación ( ) (2.18) Lo que implica que la relación de y se expresa: De esta manera se eligen, según valores comerciales, los valores de y.

49 39 Quedando establecida la ganancia del amplificador, podemos calcular la atenuación del filtro pasa bajo previo a éste. Para ello se establece el porcentaje de rizado en el voltaje de lectura de corriente en 1%, y se procede a calcular la atenuación del filtro pasa bajos. En decibeles, la atenuación del filtro debe ser mayor a. Por conveniencia, se fija la atenuación del filtro pasa bajo de primer orden en, que equivale a dividir la señal entre 100. Por consiguiente, la frecuencia de corte del filtro debe estar ubicada dos décadas antes de la frecuencia de operación, por lo que: Utilizando la ecuación 1.18, calculamos el valor de la resistencia y del condensador. (2.20) Despejando: Fijando, Por conveniencia, la resistencia comercial más común por encima es de, por lo que se utilizará dicho valor de resistencia. El diagrama del circuito amplificador para lectura de corriente, con los valores de los componentes se muestra en la figura 3.10.

50 40 Figura Diagrama del sistema para la lectura de la corriente, con los valores de los componentes. 3.5 Atenuador para medición de voltaje. Al ser el voltaje de alimentación de nuestro circuito, el rango de lectura del convertidor analógico digital del microcontrolador queda limitado por debajo de este voltaje. Las señales mayores a que quieran ser monitoreadas deben ser atenuadas para llevarlas a un rango de voltajes adecuado. Como ya se estudió en la sección 3.2, el máximo voltaje que puede producir la celda solar utilizada para esta aplicación es igual al voltaje de circuito abierto. Al ser este voltaje mayor al voltaje de alimentación del circuito, es necesario implementar un divisor de tensión para atenuar dicha señal, manteniendo la relación lineal. Para calcular los valores de las resistencias se utiliza la ecuación ( ) (2.19) Despejando la ecuación se obtiene la relación:

51 41 Para la escogencia de la resistencia, tomamos en cuenta que la pérdida de potencia introducida por el divisor de tensión debe ser lo más baja posible, para ello se escogen resistencias de valores altos, pero resistencias altas ocasionan problemas a la entrada del convertidor analógico digital. La hoja de datos del PIC 16F684 (Ver hoja de datos en el anexo 1, página 72), especifica que la impedancia máxima recomendada para circuitos analógicos es de. Por lo que no se escogerán resistencias mayores a este valor, para evitar problemas de lectura. Las resistencias usadas para esta aplicación se escogieron según su disponibilidad en el laboratorio: y Nótese que puede usarse cualquier valor disponible comercialmente, mientras mantenga la relación establecida. Valores mayores de implican un mejor aprovechamiento de la resolución del microcontrolador. El divisor de voltajes, con los valores de las resistencias se muestra en la figura También se ilustran los valores de voltaje de entrada y salida máximos. Figura Divisor de voltaje con los valores de sus componentes y voltajes 3.6 Microcontrolador Para la implementación de un sistema de control en tiempo real corresponde utilizar un dispositivo que sea capaz de realizar conversiones de señales analógicas (entradas) al dominio digital, y tenga capacidad de procesamiento para hacer

52 42 modificaciones al sistema ajustando una salida a un valor adecuado mediante la utilización del ancho de pulso. El esquema de monitoreo utilizado se muestra en la figura 3.12, donde se señalan las variables analógicas utilizadas en el proceso. Figura Diagrama de bloques del funcionamiento general del microcontrolador. Fuente: Elaboración propia. Los dispositivos electrónicos más adecuados para esta aplicación son los microcontroladores, sin embargo, hay una amplia gama de éstos en el mercado, cada uno con características y rango de precios distinto Características requeridas del microcontrolador Para esta aplicación, el microcontrolador elegido debe contar con las siguientes características: Al menos dos (2) canales de conversión analógica-digital (ADC) Al menos un (1) canal de salida por modulación de ancho de pulso (PWM) Capacidad de almacenar variables en su memoria RAM. Capacidad de operar con voltajes de alimentación de 3,3 V Capacidad de ser reprogramado para futuras modificaciones de software.

53 43 Tamaño físico pequeño para ser incorporado en una tarjeta de circuito impreso de tamaño 35mm x 35mm junto con los componentes externos. Bajo costo Dos de los aspectos más importantes a la hora de la escogencia de un microcontrolador es el tamaño físico ocupado por el mismo en la tarjeta y su costo, ya que se desea reducir el costo del producto final. Debido a su versatilidad, variedad de modelos, bajo costo y amplia disponibilidad en el mercado venezolano, se utilizará un microcontrolador PIC del fabricante Microchip. Entre los diferentes modelos de PIC listados, se decidió utilizar el modelo PIC16F684, ya que por su encapsulado de 14 pines es el PIC a disposición más pequeño de la familia PIC 16 que cuenta con canales de ADC y PWM. Lo ideal es utilizar el PIC cuyo encapsulado sea lo más pequeño posible, para simplificar el diseño de la tarjeta PCB, pero las limitaciones del mercado conllevan a la utilización de los productos más comunes y con mayor disponibilidad. El PIC utilizado se muestra en la figura 3.13 y su diagrama de Pines en la figura Figura PIC16F684 en su presentación de encapsulado DIP de 14 pines Fuente: Solarbotics Ltd.

54 44. Figura Diagrama de puertos del PIC16F84 de 14 pines. Fuente: Microchip Technology, Inc. Estos microcontroladores se caracterizan por su versatilidad a la hora de ser programados y cuentan con una gran variedad de software para compilar el código en distintos lenguajes, así como un hardware simple para programarlos vía puerto serial con la computadora. El hardware utilizado para programar los PIC que se tiene a disposición es sencillo de construir, de bajo costo, y es capaz de programar los PIC de las familias 12, 16 y 18. Un ejemplo de este programador se muestra en la figura 3.15 Figura Programador serial de microcontroladores PIC. Fuente: Para escribir y compilar el código en la computadora se utiliza el software MikroC for PIC para Windows, el cual está disponible gratuitamente en la página

55 45 web en su versión básica, que tiene la única limitante de poder programar sólo el 50% de la memoria flash del dispositivo. Dicho compilador utiliza lenguaje C y lo transforma a un archivo hexadecimal (.hex), que se utiliza para programar el PIC utilizando otro programa llamado WinPic (disponible gratuitamente), el cual envía la información vía puerto serial al hardware programador Algoritmo del microcontrolador Para garantizar el funcionamiento del microcontrolador como rastreador de máxima potencia es necesario utilizar un algoritmo que analice los cambios que ocurren en la magnitud de la potencia entregada por la celda según los cambios introducidos en el ciclo de trabajo. Uno de los algoritmos más comunes para esta aplicación es el de Perturbación y Observación, debido a su facilidad de implementación. Dicho algoritmo se basa en un aumento o disminución periódica del ciclo de trabajo. Si una perturbación produce un aumento en la potencia de salida de la celda solar, entonces la siguiente perturbación es generada en la misma dirección. En cambio, si la perturbación generada produce una disminución en la potencia de salida de la celda solar, entonces la siguiente perturbación debe realizarse en la dirección contraria. En la figura 3.16 se muestra una explicación del algoritmo, por Jiang, J. y colaboradores (2005).

56 46 Figura Diagrama de flujo del algoritmo de Perturbación y Observación. Jiang J. y colaboradores (2005) Éste algoritmo tiene la ventaja de que su costo computacional es muy bajo, pero tiene la desventaja de que, al contar con sólo dos puntos de comparación, puede quedar oscilando sobre el punto de máxima potencia, resultando el pérdidas de energía, especialmente cuando hay cambios rápidos en la intensidad de la radiación solar. Jiang J. y colaboradores, sugieren un algoritmo que involucra la lectura de tres (3) puntos de potencia ubicados en la curva, lo que denominan como three-point weight, donde se evita mover el punto de operación rápidamente, de manera que el punto de máxima potencia puede ser rastreado de manera precisa en condiciones de

57 luz solar estable, propiciando menores pérdidas de potencia. El diagrama de flujo del algoritmo propuesto por Jiang (2005) se muestra en la figura Figura Diagrama de flujo del algoritmo de tres puntos, propuesto por Jiang (2005). El algoritmo propuesto compara tres puntos consecutivos en la curva de potencia de la celda solar, que son el punto de operación A, un punto B, perturbado desde el punto A, y un punto C, doblemente perturbado en la dirección opuesta desde el punto B. Este algoritmo tiene la ventaja de que sólo altera el ciclo de trabajo cuando existe un cambio progresivo en la potencia de la celda solar, entonces, cuando el dispositivo alcanza el punto de máxima potencia, no introduce cambio en el ciclo de trabajo sino que mantiene el mismo valor.

58 48 Partiendo de ésta idea, se propuso un algoritmo que simplifica el cálculo de la dirección en la que se modifica el ciclo de trabajo, utilizando un método para calcular el mayor de tres números, de manera que el punto de operación siempre se mueva hacia donde esté la mayor potencia, evitando casos dudosos. El diagrama de flujo de dicho algoritmo se muestra en la figura Figura Algoritmo propuesto en este proyecto como mejora al algoritmo de Jiang, J. y Colaboradores. Fuente: Elaboración Propia

59 49 De esta forma se simplifica el cálculo del próximo punto de operación, reduciendo los tiempos de procesamiento. También se toman en cuenta otros casos en los que, usando el algoritmo de three-point weight, propuesto por Jiang, J. (2005), el ciclo de trabajo se mantenía igual. Otra inclusión que se le hizo a este algoritmo es que el ciclo de trabajo se mantiene entre 25% y 35%, para evitar que, en caso de alguna falla, el punto de operación se ubique en zonas de alta transferencia de potencia. 3.7 Primeras Pruebas Para la implementación del sistema propuesto, tanto hardware como software, era necesario realizar diferentes pruebas para verificar que el diseño funcionaba bien en la práctica. Dado que el sistema presenta integración de hardware y software a través del microcontrolador, fue imposible realizar pruebas por separado de cada uno de ellos, por lo que se procedió a ensamblar el circuito completo en un protoboard. El primer circuito se implementó utilizando un voltaje de alimentación de 5V, por lo que no fue necesario el uso de un atenuador para la lectura del voltaje de la celda solar Simulaciones Paralelo al diseño del prototipo se realizaron diferentes simulaciones de los circuitos propuestos para corroborar que el mismo funcione bien en la práctica. Para realizar las simulaciones no se contaba con ningún software de diseño profesional, sin embargo, se utilizó una herramienta de simulación de circuitos vía web, basada en Java, la cual presentó un buen desempeño. La herramienta de diseño utilizada se llama Circuit Simulator v1.5j, diseñada por Paul Falstad, y es de código abierto. Dicha herramienta cuenta con modelos de distintos componentes, tanto pasivos como activos, entre los que se encuentran resistencias, condensadores, inductores, diodos, transistores y amplificadores operacionales, por lo que es muy versátil para diseñar circuitos y observar su comportamiento en el tiempo.

60 50 Para simular el desempeño del amplificador para lectura de corriente se utilizó este simulador, donde se colocaron los componentes en forma discreta, y se simularon varias condiciones de corriente para comprobar que el circuito diseñado se comporta como se esperaba. Una impresión de pantalla durante las simulaciones del amplificador para lectura de corriente se muestra en la figura 3.19, en la cual se pueden observar algunos valores de interés. Nótese que las oscilaciones provenientes de la fluctuación de corriente en el inductor se ven atenuadas a la salida. Figura Simulación de circuito para medición de corriente, incluye filtro pasa bajo. Fuente: Elaboración Propia

61 51 En relación a la simulación de la celda solar, se utilizó el modelo descrito en la sección 2.1 (figura 2.1), los parámetros de la celda fueron estimados de manera que s la curva I-V sea lo más parecida a la obtenida experimentalmente. Los resultados de la simulación fueron los siguientes: Resistencia equivalente en serie de la celda Resistencia equivalente en paralelo de a celda Fuente de corriente Voltaje de polarización en directo del diodo Con estos parámetros se obtuvo un punto de máxima potencia equivalente al obtenido con los resultados experimentales de la tabla 3.1 y figura 3.7. La captura de pantalla de la realización de las simulaciones de la celda solar se muestra en la figura 3.20, donde se observa la curva I-V característica y el punto de corriente en corto circuito, donde la resistencia de carga es cercana a cero. Figura Simulación de la curva característica I-V de la celda solar, utilizando el modelo descrito en la sección 2.1.

62 52 Fuente: Elaboración Propia Habiendo realizado esta simulación, se puede proceder a combinar la celda solar con el convertidor elevador, utilizando los valores de los componentes previamente calculados en la sección 3.3., los cuales se listan a continuación: Inductancia Voltaje de polarización en directo del Diodo Schottky Capacitancia Resistencia de carga Resistencia de encendido del conmutador IRF-540 Ciclo de trabajo Para la simulación se utilizaron 4 modelos de celdas solares idénticos, colocados en paralelo, para simular las cuatro celdas en paralelo. También se incluye la resistencia shunt de medición de corriente ya que ésta tiene influencia sobre la potencia de salida del dispositivo. Los resultados de dicha simulación se muestran en la figura 3.21, donde el gráfico superior muestra el voltaje (verde) y la corriente (amarillo) de las celdas y el gráfico inferior, la potencia de la carga.

63 53 Figura Cuatro celdas en paralelo y el convertidor elevador, en el simulador. Fuente: Elaboración propia Los valores de las variables de interés se muestran a continuación: Voltaje de salida Corriente de salida Potencia de salida Voltaje de entrada Corriente de entrada Potencia de entrada Con los datos anteriores se puede calcular la eficiencia del convertidor elevador, según la simulación, utilizando la ecuación 3.5.

64 54 (3.5) Expresando lo anterior en porcentaje: Hay que tomar en cuenta que la simulación utiliza componentes ideales en algunos casos, como por ejemplo el conmutador analógico, de tal manera que este valor es referencial y puede variar en la práctica Pruebas en el Protoboard El prototipo diseñado se montó en un protoboard, utilizando los valores de los componentes previamente calculados, pero sustituyendo el teléfono celular por una resistencia de, equivalente a conectar el teléfono celular. Adicionalmente, se utilizó un PIC 16F88, que es más grande que el del montaje final, pero se escogió con miras a utilizar una pantalla LCD de 16x2 caracteres, que muestre, durante la operación del dispositivo, el valor actual del ciclo de trabajo junto con los valores leídos por el microcontrolador (voltaje y corriente) y calcule la potencia que está entregando la celda en un instante dado, en una interfaz amigable al usuario. De esta forma se evita el uso de un amperímetro y un voltímetro, además se puede conocer la potencia instantánea con sólo mirar la pantalla LCD, y así determinar si el funcionamiento del circuito es acorde a las condiciones dadas. También es útil para realizar las pruebas del algoritmo del microcontrolador, ya que de esta forma se ve fácilmente si se está realizando correctamente el rastreo de la máxima potencia. La pantalla LCD utilizada es el modelo GDM1602K, de Xiamen Ocular. Una foto de dicha pantalla se muestra en la figura 3.22.

65 55 Figura Pantalla LCD 2x16, del modelo GDM1602K de Xiamen Ocular. La pantalla LCD se conecta al PIC utilizando cuatro (4) hilos de datos, uno de enable (EN) y otro de reset (RS), para un total de seis (6) hilos. El resto se conecta a la alimentación VCC o a tierra, según el diagrama de conexiones. Se coloca un potenciómetro para fijar el contraste de la pantalla y una resistencia opcional para utilizar iluminación Para obtener una imagen coherente en la pantalla LCD, se utilizan las librerías LCD en el compilador MikroC, de manera que sólo se utilizan funciones para imprimir texto en la pantalla. Las asignaciones de los pines de la pantalla LCD dentro del PIC se realizan por software, definiendo las variables que asignan cada pin de la pantalla LCD al pin del PIC correspondiente. El circuito del cargador solar, que incluye, convertidor elevador, amplificador para medición de corriente, PIC y pantalla LCD montado en el protoboard se le denominó Prototipo #1. En la figura 3.24 se muestra una imagen del prototipo 1 montado, junto con la pantalla LCD. Nótese la resistencia de carga de 22 Ω, su tamaño es debido a la máxima potencia que puede disipar sin quemarse, establecida en 2W.

66 56 Figura Fotografía del prototipo 1. Fuente: Foto propia. Utilizando este montaje se probaron los algoritmos implementados, verificando la forma en la que alcanzan el punto de máxima potencia y corrigiendo las fallas observadas. 3.8 Prototipos en Circuitos Impresos. Luego de comprobar que el circuito ya tendría la topología mencionada, se procedió al diseño progresivo de varios circuitos impresos, para el montaje del prototipo en una tarjeta de circuitos impresos o PCB, por sus siglas en inglés Prototipo 2 El primer prototipo al que se le fabricó el circuito impreso contempló la limitación del espacio inicial asignado para la tarjeta, el cual era de 30mm x 30mm. Debido a que el espacio en una tarjeta de 30mm x 30mm es muy reducido, la inclusión de tornillos no es posible, por lo que se conversó con el ing. Mecánico asignado al diseño de la carcasa del dispositivo, para aumentar el tamaño de la tarjeta a 35mm x 35mm.

67 El diseño de las pistas en la capa de cobre del circuito impreso se muestra en la figura Figura Diseño de la tarjeta de circuito impreso correspondiente al prototipo 2. Se fabricó el circuito con las nuevas medidas, pero al conectarlo no se obtuvo buen funcionamiento del mismo, por lo que se decidió incluir un montaje improvisado de dos diodos LED, uno verde y uno amarillo. Se utilizó un PIC16F684, de 14 pines, el cual fue programado para inducir encendidos relámpago de los LED, para verificar los cambios del ciclo de trabajo y un triple encendido de ambos LED al alcanzar la máxima potencia. En la figura 3.25 se muestra una fotografía del prototipo 2 ensamblado.

68 58 Figura Prototipo 2, ensamblado. En la figura se observa un componente cilíndrico negro, el cual es la bobina utilizada en este prototipo. La inductancia de dicha bobina es de 330 µh, los cuales son insuficientes para cumplir las condiciones de corriente permanente exigidas por el convertidor elevador, lo que explica las fallas de funcionamiento que presentó este prototipo. De esta manera se decidió descartar este diseño y proceder a fabricar otro Prototipo 3 Debido a los resultados obtenidos en las pruebas del prototipo 2, se procedió al diseño y ensamblaje de un nuevo prototipo, al cual se le incluyó espacio para unas borneras, para conectar y desconectar cables fácilmente, sin tener que soldar. Se eliminó la resistencia de carga, de forma que este prototipo se conecte directamente al teléfono celular. Se incluyeron conexiones de entrada y salida y dos LEDS, que en este diseño están dentro de la tarjeta PCB y no afuera, como en el prototipo 2. El diseño de las pistas correspondiente a este prototipo se muestra en la figura Nótese que el

69 tamaño de la tarjeta es más grande, debido a que se utilizó sólo para realizar pruebas de funcionamiento, y no para un futuro ensamblaje en la carcasa. 59 Figura Diseño de la tarjeta de circuito impreso correspondiente al prototipo 3. El PIC utilizado fue igualmente el 16F684, con el mismo diagrama de conexiones utilizado en el prototipo 1 y el mismo programa utilizando el encendido relámpago de dos LEDs. La figura 3.27 muestra una fotografía del prototipo 3.

70 60 Figura Prototipo 3 Fuente: David Torres, prensa CENIT. El prototipo 3 incluye también un conmutador de encendido y dos cables para conectar la alimentación del PIC y el amplificador operacional, utilizando una fuente DC de 5 Voltios. Éste prototipo también cuenta con bases para algunos de sus componentes, como la bobina inductora y el conmutador IRF540, para poder probar diferentes modelos de los mismos, observar el desempeño de cada uno, y así decidir cuál de ellos se utilizará en el diseño final.

71 Ensamblaje del Prototipo Final Debido a los resultados satisfactorios en las pruebas de funcionamiento del prototipo 3, se decidió llevar ese diseño al prototipo final, el cual ya no cuenta con LEDs de prueba, e incluye el divisor de voltajes y el filtro pasa bajo para la lectura de corriente. El diagrama correspondiente al circuito global se muestra en la figura 3.28, el cual incluye todos los componentes y su sistema de alimentación. Figura Circuito Global del prototipo final Fuente: Elaboración propia. El circuito impreso correspondiente a este prototipo se diseñó tomando en cuenta el tamaño de la cabeza de los dos tornillos que fijan la tarjeta a la carcasa, y con la limitación del tamaño previamente establecido en 35mm x 35mm.

72 Diseño del Circuito Impreso (PCB) Adicional a la tarjeta del circuito principal, se fabricó una tarjeta que cuenta con el dispositivo que sostiene la batería, y un conmutador de encendido, para apagar el circuito cuando no se esté utilizando. Laos diseños de ambas tarjetas se muestran en la figura 3.29 y La fotografía de la tarjeta ya fabricada se muestra en la figura Figura 3.29 Diseño de la tarjeta de circuito impreso correspondiente al prototipo final. Fuente: Elaboración Propia

73 63 Figura Diseño de la tarjeta de circuito impreso de la pila y el conmutador de encendido y apagado. Fuente: Elaboración Propia Figura Circuito impreso del prototipo final, ya fabricado. Foto: David Torres, prensa CENIT.