microgeneración y almacenamiento de energía para sistemas
TRANSCRIPT
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey.
Campus Ciudad de México
Microgeneración y almacenamiento de energía para sistemas autónomos de sensado
ITSE Diego A Rodríguez Aldape
ITSE Jorge A Delgado Hernández
- TECNOLÓGIOO • DE MONTERREY
Biblioteca Ca111pu~. C1uui!d de ll!Mxk:O
Asesor: Dr. Rogelio Bustamante
Proyectos de Ingeniería
Noviembre de 2012
Índice de capítulos
Capítulo 1
Aspectos generales
1.1 lntroducción ................................................................................................................................ 6
1.2 Metas ........................................................................................................................................... 7
1.3 Objetivo general ........................................................................................................................ 8
1.4 Objetivos particulares ............................................................................................................... 8
1.5 Metas alcanzadas ...................................................................................................................... 9
Capítulo 2
Antecedentes
2.1 Introducción al Tema .............................................................................................................. 10
2.2 Energía ...................................................................................................................................... 12
2.3 Sensores lnalámbricos ............................................................................................................ 14
2.4 Proyecto Previo ...................................................................................................................... 16
Capítulo3
Estado del Arte
3.l lntroducción ............................................................................................................................. 19
3.2 Microgeneradores Experimentales ....................................................................................... 19
3.3 Microgeneradores de Energía Comerciales ......................................................................... 20
3.4 Dispositivos Piezoeléctricos y Piezocerámicos .................................................................... 20
3.5 Dispositivos Termoeléctricos ................................................................................................. 29
3.6 Microcontroladores ................................................................................................................. 32
3.6 Módulos Bluetooth .................................................................................................................. 33
3. 7 Medios de Recolección ........................................................................................................... 38
4
Capítulo 4
Diseño y desarrollo del sistema
4.l lntroducción ............................................................................................................................. 50
4.2 Diseño piezoeléctrico .............................................................................................................. 50
4.3 Diseño termoeléctrico ............................................................................................................ 51
4.4 Desarrollo piezoeléctrico ....................................................................................................... 52
4.5 Desarrollo termoeléctrico ....................................................................................................... 65
4.6 Desarrollo del cosechador piezoeléctrico ............................................................................ 70
4.7 Desarrollo del cosechador termoeléctrico .......................................................................... 71
4.8 Desarrollo de módulo de comunicación ............................................................................... 73
4.9 Acoplamiento de los sistemas ............................................................................................... 81
Capítulo 5
Análisis de resultados
5.1 Análisis de resultados ............................................................................................................. 85
Anexos
Anexo A Máquinas eléctricas ...................................................................................................... 87
Anexo B Detalles del piezoeléctrico ........................................................................................... 95
Anexo C Código del microcontrolador ........................................................................................ 98
Acrónimos .................................................................................................................................... 102
Glosario ........................................................................................................................................ 104
Bibliografía .................................................................................................................................. 105
5
Capítulo 1: Aspectos generales
1.1 Introducción
Los cosechadores de energía, "Energy Harvesters", son una serie de productos y
materiales que nos permiten capturar la energía del medio ambiente y convertirla en
energía eléctrica utilizable. Esta energía "libre" puede existir en varias formas y se puede
obtener de diferentes fuentes. Generalmente se les puede encontrar en forma de energía
térmica, solar, eólica y mecánica. Sin embargo, estas fuentes de energía proveen una
potencia mínima, lo cual dificulta su uso para cualquier aplicación práctica. Actualmente
existe la tecnología necesaria para capturar, acumular, almacenar, acondicionar y
administrar de forma eficiente la energía generada por estos dispositivos [A].
Figura 1. Celda solar con componentes orgánicos [1].
El interés en la investigación y desarrollo de estos dispositivos se debe al aumento de
sistemas electrónicos. Estos sistemas abarcan un gran abanico de aplicaciones que van
desde las aplicaciones civiles hasta las militares. Esta tecnología se suele aplicar en
6
dispositivos inalámbricos, por ejemplo: sensores inalámbricos desplegados en sitios
remotos donde usar pilas o una conexión directa a la red eléctrica es ineficiente o
impráctico. En este proyecto se tiene contemplado construir un sistema de adquisición de
datos autónomo alimentado con cosechadores de energía. Se investigará qué
microgeneradores de energía están disponibles para la compra, y los que se compren
serán sometidos a un proceso de caracterización. También se procederá a comprar la
electrónica necesaria para almacenar y suministrar la energía cosechada. Al final, todas las
partes del proyecto se integrarán para formar el sistema autónomo final.
1.2 Metas
Construir un sistema de adquisición de datos inalámbricos que haga uso de los
microgeneradores de energía. El sistema debe de ser capaz de recolectar la energía que
existe a su alrededor, almacenarla, y llegado el momento, regular la energía que entrega
al sensor ya sea de temperatura o cualquier otro, para que este pueda tomar las
mediciones correctas. Además, debe de guardar la suficiente energía para activar el
transmisor inalámbrico del sistema y enviar de forma periódica la información recolectada
por el sensor.
Cosechador
piezoeléctrico
Cosechador
termoeléctrico
.... .... Convertidor (AC/DC) y módulo de
almacenamiento
Microcontrolador de
Convertidor (DC/DC) y módulo de ultra bajo consumo de energía
almacenamiento
Módulo de
comunicación
inalámbrico
Figura 2. Diagramas generales del sistema de cosecha de energía, control y módulo de
comunicación
7
Figura 3. Sensor inalámbrico de baja potencia [2].
1.3 Objetivo general
Demostrar que los microgeneradores de energía son una alternativa viable y ecológica
para aquellos sistemas con un consumo mínimo de potencia en el orden de los miliWatts
(mW), dado que las fuentes de energía tradicionales para estas aplicaciones pueden
resultar ineficientes y extremadamente costosas.
Figura 4. Cosechador de energía piezoeléctrico [3].
1.4 Objetivos particulares
• Investigar los dispositivos cosechadores de energía disponibles en el mercado,
ventajas y desventajas.
• Adquirir los cosechadores considerando el costo beneficio.
• Caracterizar los cosechadores adquiridos.
• Adquirir el equipo necesario para capturar, acumular, almacenar, acondicionar y
administrar de forma eficiente la energía generada.
8
• Basándonos en los resultados, diseñar un sistema autónomo que se acople a las
características de nuestro cosechador.
• Investigar, adquirir y utilizar un microcontrolador que sea de baja potencia "Low
power", realizar pruebas y tener un programa final.
• Adquirir un sistema de comunicación inalámbrico punto a punto y realizar su
configuración necesaria para poder transmitir.
• Construir el sistema final y caracterizarlo.
1.5 Metas alcanzadas
• Se reprodujeron, verificaron e hicieron nuevas pruebas al módulo piezoeléctrico.
• Se caracterizó el cosechador termoeléctrico.
• Se probó un sistema inalámbrico punto a punto.
• Se diseñó y construyó un sistema de almacenamiento de energía para el
dispositivo piezoeléctrico.
• Diseñamos y construimos un sistema de almacenamiento de energía para el
dispositivo termoeléctrico.
• Se adquirió y se estudió un microcontrolador de bajo consumo energético.
• Se programó al microcontrolador y a la vez se alimentó con el medio de
almacenamiento tanto del cosechar termoeléctrico como el del piezoeléctrico.
• Se adquirió y se estudió un módulo de Bluetooth.
• Se acopló el sistema completo (microgenerador, sistema de almacenamiento,
microcontrolador y módulo Bluetooth).
• Se programó el módulo de Bluetooth para la transmisión de datos
• Se logró cargar mediante el microgenerador una batería para poder transmitir los
datos de manera inalámbrica.
9
Capítulo 2: Antecedentes
2.1 Introducción.
El término energía tiene diversos significados según el área de conocimiento, aunque
generalmente se le relaciona con la capacidad de mover, transformar u obrar. Según la
física, se le define como la capacidad de realizar un trabajo. Se le llama potencia cuando
este trabajo se realiza durante un determinado intervalo de tiempo. Según el sistema
internacional de unidades, la unidad de energía es el Joule (J). Dimensionalmente se
cumple que un Joule equivale a un Newton por metro {[N]*[m]), el cual se define como el
trabajo realizado por una fuerza a lo largo de un metro.[B]
La energía está presente de diferentes formas y es posible transformarla, como por
ejemplo, transformar la energía potencial en energía cinética. Lo anterior se sustenta en
las leyes de la termodinámica, las cuales dicen lo siguiente:
• 1ª Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, sólo se
transforma.
• 2ª Ley de la Termodinámica: La energía se degrada de forma continua en energía
térmica. Lo que significa que en toda conversión de energía existe alguna parte de
esa energía que se degrada y se pierde en forma de calor. [B]
Dado que la energía en sus diferentes formas se encuentra en todo nuestro alrededor, es
posible considerarla como un recurso natural. La tecnología es aquella que nos posibilita
almacenarla, explotarla y usarla. La energía nos permite satisfacer otras necesidades, pues
es ésta la que nos permite obtener los recursos necesarios en nuestra vida. Según la forma
en la que las fuentes de energía hacen uso de las materias primas para producir energía
es que estas pueden ser clasificadas en energías renovables o no renovables. A
continuación se muestra un pequeño listado de las mismas:
10
Figura 5. Transformaciones de Energía. En la imagen anterior se muestran los diversos
procesos para poder transformar diversas fuentes de energía, así como sus aplicaciones [4].
A) Fuentes de Energía Renovables
• Energía Eólica .
• Energía Solar .
• Energía Hidráulica .
• Energía Geotérmica .
• Energía Mareomotriz .
• Energía Cinética .
• Biomasa
B) Fuentes de Energía No-Renovables
• Petróleo.
• Energía atómica o nuclear.
• Gas Natural
• Carbón
11
Figura 6. Energías Renovables [S].
2.2 Energía
Como se mencionó en la sección 2.1, existen fuentes de energía renovables y no
renovables. Las fuentes de energía renovables se pueden sub-dividir en fuentes de energía
convencionales y no convencionales. Por fuentes de energía convencionales podemos
citar a la energía solar, eólica, geotérmica, etc. Las energías no convencionales son
aquellas que hacen uso de los "Energy Harvesters", cosechadores de energía. La cosecha
de energía, "Energy Harvesting", se enfoca en convertir en energía eléctrica utilizable la
energía que nos rodea y que se encuentra en el medio ambiente, ya que de otra forma
sería desperdiciada.
Otra forma en la cual se pueden separar las fuentes de energía renovables es según la
cantidad de energía que producen. Las fuentes de energía renovables convencionales
tienen la capacidad de generar potencias de salida del orden de los Mega Watts, siempre
y cuando se usen en plantas de gran tamaño o en grandes arreglos de dispositivos, como
por ejemplo: plantas hidroeléctricas, granjas solares y turbinas eólicas. Sin embargo las
fuentes de energía renovables no convencionales son aquellas que suministran una
potencia del orden de los mili Watts, ya que están enfocadas a otro tipos de aplicaciones.
Mientras que las primeras aplicaciones alimentan sistemas de alta potencia, las últimas se
12
enfocan en sistemas móviles y compactos, donde la cosecha de energía alimenta
aplicaciones de bajo consumo y en donde otras fuentes de energía se vuelven ineficientes
o imprácticas.
Con el aumento en el uso y necesidad de sistemas electrónicos portátiles e inalámbricos
es necesario buscar una fuente de energía alterna, ya que las baterías no cumplen con las
necesidades energéticas, de tiempo de vida y cuidado al medio ambiente. Es necesario
encontrar una fuente de energía que nos permita deshacernos de la dependencia de las
baterías; estás cuentan con un tiempo de vida limitado y están hechas con materiales
peligrosos, lo que implica un costo extra el deshacerse de ellas. Las baterías no son una
opción ecológica que pueda servir como fuente de energía para las aplicaciones del
mañana, por ejemplo, aplicaciones de sensado inalámbrico; además hay que sumar los
costos de mantenimiento y remplazo de dichas fuentes de energía. Lo ideal sería contar
con una fuente de energía "autónoma", capaz de recolectar la energía a su alrededor, y
por consiguiente, tener una vida útil superior.
Los cosechadores de energía cumplen con las condiciones anteriores. Por el momento,
esta tecnología está limitada a las aplicaciones que cumplan con las siguientes
características:
• Sistemas electrónicos de baja potencia, con la capacidad de entrar en estados de
bajo consumo y reposo.
• Sistemas de transmisión de radio frecuencia digital.
Las principales fuentes de energía para los cosechadores de energía son las siguientes:
• Química.
• Térmica.
• Piezoeléctrica.
13
2.3 Sensores Inalámbricos
Un sensor es todo aquel dispositivo que produce una salida cuantitativa en respuesta a los
cambios físicos o químicos a los cuales está expuesto. Lo sensores pueden medir las
siguientes variables:
• Presión
• Temperatura
• Vibraciones
• Sonido
• Movimiento
Figura 7. Sensor Ultrasónico [6].
Los sensores inalámbricos son una tecnología emergente, en donde se incluye la
microelectrónica, las telecomunicaciones y la computación. Estos sensores cuentan con
memoria y una cierta capacidad de procesamiento para procesar los datos recolectados.
También cuenta con una unidad de comunicación inalámbrica para transmitir y recibir
información a través de las diferentes técnicas de modulación digital. El sensor se encarga
de registrar una variable física o química y la convierte en una salida cuantitativa que
entrega al transmisor inalámbrico por medio del microcontrolador. Por último se
encuentra la fuente de energía, la cual suele ser una batería.
14
Sensor
Interfax I/O
Memory Processor Radio
Battery
Figura 8. Diagrama de Bloques de un Sensor Inalámbrico [7].
Estos dispositivos se suelen utilizar en las redes inalámbricas de sensores o en las redes
inalámbricas malladas. Las primeras consisten en dispositivos autónomos, sensores que
monitorean las variables físicas que se encuentran a su alrededor. Estos sistemas
incorporan al menos un dispositivo coordinador, el cual se encarga de proveer la
conectividad inalámbrica y al menos un dispositivo final, el cual es el sensor inalámbrico.
Por el otro lado, las redes inalámbricas malladas consisten en clientes y routers, estos
dispositivos crean una red inalámbrica del tipo multisalto. Estas redes se caracterizan por
su dinamismo, y su capacidad de auto organización y configuración; los nodos, en este
tipo de redes, se establecen de forma automática, con el objetivo de mantener la
conectividad de la red. Además, estas redes pueden llegar a tener un bajo costo inicial y
de mantenimiento, con una confiabilidad y robustez alta.1
C•Coordínador F=-OisposilivO Final
Figura 9. Esquema general de una red de sensores inalámbricos [8].
1 Sensores Inalámbricos: Avances y Aplicaciones en Telemedicina
15
Mesh Network
Figura 10. Esquema general de una red inalámbrica mallada [9].
2.4 Proyecto previo
Existe un proyecto previo en el que nos basamos para comenzar. Se utilizó un sistema
piezoeléctrico. El desarrollador de este proyecto previo fue el ingeniero Javier Hernández,
el cual utilizó un dispositivo piezoeléctrico para cosechar y alimentar un sistema de
transmisión de datos inalámbricos por medio de un módulo de radiofrecuencia.
Estas pruebas que realizó el Ingeniero Hernández fueron exitosas, sin embargo la
aplicación del sistema piezoeléctrico no se realizó con pruebas en un ambiente real, sin
embargo sus resultados arrojaron que es posible cosechar energía (por un sistema
piezoeléctrico) suficiente para poder alimentar un sistema de medición de variables así
como su transmisor de radiofrecuencia.
Para ello los materiales que utilizó para la cosecha de energía fueron:
• Piezoeléctrico modelo v21Bl marca "Midé".
• Un sistema de cosecha miento de energía modelo EH300A marca "Linear Tech".
• Microcontrolador PIC16LF8A.
• Módulo de Radiofrecuencia TXM433LR a 433Mhz.
16
Capítulo3: Estado del Arte
3.1 Introducción
Para la mini y micro generación de energía podemos encontrar una diversidad de
productos que se acomoden a la necesidad y desarrollo de una aplicación específica. Estos
dispositivos se pueden encontrar con diferentes capacidades físicas como rango de
frecuencia, temperatura, presión, diferentes sometimientos a la fuerza de gravedad. Cabe
mencionar que no todos los dispositivos que encontramos son comerciales ya que algunos
aún se encuentran en desarrollo o estado experimental, por lo que no se pueden adquirir,
sin embargo en el mercado actual se encuentra una diversidad de dispositivos que
cumplen con la función de micro generadores de energía, los cuales adquirimos para el
desarrollo de la primera etapa de nuestro proyecto
3.2 Micro-generadores experimentales.
Dentro de los productos conocidos como piezocerámicos, encontramos que un ingeniero
de la universidad de Southhampton llamado Steve Beeby quien desarrolló un micro
generador de energía de proporciones muy pequeñas (poco menor a 2 cm3), el cual
genera voltaje por medio de vibraciones que se encuentra en el ambiente, suficiente para
poder proporcionar potencia a sensores inalámbricos. [D]
Este piezocerámico está compuesto por magnetos que están pegados a una ménsula, los
cuales al estar en movimiento por las vibraciones generan energía, también llamada
energía electromagnética. Las dimensiones de este dispositivo son 7.00mm por 7.00mm
por 8.50mm.
19
Figura. 13 Piezocerámico [12).
3.3 Dispositivos piezoeléctricos y piezocerámicos.
Estos dispositivos destacan por obtener energía a partir de vibraciones, dado que su red
cristalina interna generan energía dado el esfuerzo mecánico que se ejercer sobre él. Estas
son algunas de las empresas que desarrollan estos dispositivos actualmente:
3.4 Micro-generadores de energía comerciales.
Estos dispositivos son lo que actualmente se encuentran en el mercado y como bien
vimos, podemos encontrar dispositivos que funcionan bajo diferentes circunstancias. Sin
embargo todos estos dispositivos cumplen con la misma finalidad, la generación de
energía a través de diversos medios; temperatura, oscilaciones, esfuerzos mecánicos e
incluso presión.
3.4.1 MIDE Engineering Smart Technologies.
La empresa MIDE provee de 6 tipos de piezoeléctricos, los cuales tienen diferentes
características dependiendo de la necesidad, o de la aplicación a desarrollar. El rango de
frecuencias depende del dispositivo, pero el rango general se encuentra desde los 26
hasta los 360Hz, de igual manera el tamaño del dispositivo varía.
20
• V20W.- Es un generador de energía eléctrica, el cual convierte el esfuerzo
mecánico en forma de vibraciones, en energía eléctrica. El generador funciona en
el rango de 75 a 175hz, y rango de potencia de lmW hasta 8.SmW
(aproximadamente), además cuenta con una capacitancia de 0.2uF. Sus medidas
en centímetros son: 5.08 x3.81x0.0762. El costo de este dispositivo (en paquete de
dos) es de $87.SOdlls (mayo de 2012).
ó.2 U U 0/l G,ltvelPeak RMS l9'sl
Figura. 14 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a diferentes
frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [13).
• V25W.- Al igual que el modelo anterior convierte las vibraciones en energía
eléctrica, su rango de frecuencias para la generación de energía va de los 60hz
hasta los 140hz, con un rango de potencia de O hasta 6.SmW (aproximadamente),
con un ancho de banda de cosecha de 3hz, cuenta con una capacitancia de 0.33uF.
Sus medidas en centímetros son: 5.08 x3.81x0.0508. Su costo es de $87.SOdlls (el
paquete contiene 2 piezoeléctricos) (mayo de 2012).
---1001-1i ; e ... --soHr: .;
.. L-~~.f.~:± ... :::::=t .. ::::IJ G-1..evel Peak RMI (g's)
Figura. 15 A) y B) respectivamente. Dispositivo piezoeléctrico y grafica de potencia contra
fuerzas-g a diferentes frecuencias respectivamente [14).
21
• V21B.- Este generador de energía, a diferencia de los dos modelos anteriores, tiene
un área menor, dadas las dimensiones del dispositivo, así como la necesidad de
anclar la base del piezoeléctrico a la base de quien proporcione las frecuencias. Su
rango de frecuencia de operación va de los 80hz hasta los 205hz, con un rango de
potencia de O hasta 6.lmW, tiene una capacitancia de 3 a 4nF. Sus medidas en
centímetros son 6.96 x2.70x0.0812.EI costo del paquete de los piezoeléctricos es
de $65.00dlls (mayo de 2012).
7 •• .,. 205Hz -••17&Hz . . . . .
1 .... _.,. 150H2 .. ; ........ : .•...... ; ........ ; ........ ; .... .
··+- • 120Hz : : : : : G .... _.,•100Hz . ¡ ..... ¡. ....... ¡ ..... ) ..... ; .. .
1 ... .
l.2 0.4 U U 1 1.2 M 1.9 1.9 0-Level PHk RMS (g'sJ
Figura. 16 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a
diferentes frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [15].
• V21BL.- De la misma manera hay que anclar este dispositivo a la base del
generador de las vibraciones, sin embargo tiene un rango de frecuencias más
comunes, estas van de los 45hz hasta lSShz, rango de potencia de O hasta
10.SmW, contienen una capacitancia de 3-4nF. Sus medidas en centímetros son
9.14xl.70x0.0812. El costo del paquete es de$ 65.00dlls (mayo de 2012).
22
12 ..... 156Hz t--r---r--~----,---r-~
-•·120Hz -o- 100Hz ; : 10 ..... ..; ........ ; ............. . ··+-·80Hl: : -•·60Hz ! :
a ..... -+-soHz .. ¡ ........ :........ ..... . .
f r 1 : : : :
: : : : : : -- : : : : : : ,i 1 • ·······-¡--······¡···· ···¡·······-¡--··· ·:·····~;:~:-:r.~·:~ :. . : . ,,-.._- )•~· ;._,,,
.... : ............... , .. : ... _,,..: .... . . ' 1" -~f- ..o-- ;, .... ; : ; ,.., ... , _ .... ·· ........ w"'"'; . . "' ....... _.... .
2 . ··-· -~-- ... ' ....• ~.; ... ,....:,.; ...... ~~- ..... ; ........ !., .. _ .. , ' _,,.,.. •.,4;..• - . • ........ . ! ""'.- ~ .. -~~---: .~ ......... , : ~H~-~---~ .. ;·•··' 1 ! !
i.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.8 1.8 G-Lavel Peak RMS (g's)
Figura. 17 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a
diferentes frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [16].
• V228.- Este piezoeléctrico no tiene las ranuras para anclar a la base del generador
de vibraciones sin embargo este modelo es mucho más pequeño que los modelos
anteriores, siendo uno de los dispositivos piezoeléctricos más pequeños. Su rango
de frecuencia de operación es de 120hz hasta los 360hz, con un rango de potencia
de salida de O hasta 180mW, con una cosecha de energía de 2Hz. Así como ser el
más pequeño de esta clase de dispositivos y tener el menor peso. Sus medidas en
centímetros son 3.556xl.7x0.063. Tiene una capacitancia nominal de 10.2nF y una
máxima de 14.2nF. Su costo es de $50.dlls (mayo de 2012).
180r-;::::::===::;---,--,.--,. -~r •••• 358Hz : : ,·
160 .... -••259Hz ····(············i··············t····_-;,·'····
1, 0 ..... --184Hz .... \ ............. i... .......... t:.~ ........ . -+- 119Hz : : _,.·,
120 ·············~·········-----~·············~---·;,,•~-----~·······-··
i 100 ...•........ L .......... L ......... ,.t.: ......... 1 ......... . - : : ...... : . ; : ; .,. : :
t ~ ;;:t¡;¡J~J~ijf ~'~'.~; 0.11 1.11 2 2.5 3
0-t.avel Peak RMS (g's)
Figura. 18 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a diferentes
frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [17].
23
• V22BL.- Sus características son muy similares al V22B, por lo que solamente
cambian su diseño (más alargado) y su rango de operación es de 26Hz hasta llOHz,
con un rango de potencia de salida de O hasta 250mW (aproximadamente). Sus
medidas en centímetros son 6.35x0.61x0.0635. El costo del paquete piezoeléctrico
es de $50.00dlls (mayo de 2012).
300,--:==:?:..-::...-:..,-r----,---~---, ··•· 109Hz i
2SO ..... -•·66Hz .... L ............ L. ........... L ....... ,:: ' --44Hz . : .· -+- 27Hz . ! .,V
i 200 ....... ·····r····· .... -r········· .. r~:-;·--·: .. :.. ·······
1,50 ............. 1 ............ r··~·:;/··:-···· ·······t .... ·····;·
: : ::;:I:I:~I~~t:~~~. 1 U 2 2.0
G-Level Peak RMS (g's)
Figura. 19 A) y B) respectivamente. Grafica de potencia contra fuerzas-g a diferentes
frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [18).
3.4.2 Advanced Cerametrics lncorporated.
Esta empresa se dedica a la fabricación de dispositivos cosechadores de energía por medio
de vibraciones para microelectrónica y circuitos de baja potencia. Uno de sus dispositivos
es el Harvestor 111, el cual tiene componentes de pieza-fibras propietarios de ACl's, este
dispositivo produce energía eléctrica para sensores, conexiones inalámbricas y circuitos de
baja potencia dado que está enfocado en el rango de los miliwatts.
Características importantes:·
• Produce una salida de 3 y 3.3V en corriente directa.
• Los rangos de salida se encuentran entre los 30Hz hasta los 120Hz.
• Cuenta con un capacitar como medio de almacenamiento de lmF (se puede
configurar el dispositivo para obtener otra capacitancia).
24
POWER HARVESTING/CHARGINCl PERFORMANCE
capacitance: 1 mf ecceter1Uon: 3 g
'º 15 Tirr:e{~
-H33 -H!IO -H-110
,o ,.
-H='20
Figura. 20 A) y B) respectivamente. Dispositivo piezoeléctrico y grafica de voltaje contra
tiempos de carga [19).
El costo de este dispositivo varía dependiendo de la necesidad de la aplicación, por lo que
se tienen los siguientes precios.
o EH-3 (30Hz) $425.00dlls
o EH-3 (60Hz) $389.00dlls
o EH-3 (120Hz) $379.00dlls
o EH-3 (220Hz) $ 399.00dlls
Costos estimados a mayo de 2012.
3.4.3 Microstrain.
Ellos cuentan con una serie de productos "harvesters" basados en la cosecha de
vibraciones mecánicas, los cuales se dividen en dos clasificaciones, los piezoeléctricos
convencionales y los electrodinámicos. A diferencia de los piezoeléctricos convencionales,
los dispositivos electrodinámicos, funcionan a base de bobinas y magnetos que al
momento de estar en movimiento producen una corriente eléctrica.
Su tecnología se hace llamar PVEH "Harvester" (Piezoelectric Vibration Energy Harvester) y
MVEH (Magneto lnductive Vibration Energy Harvester), dentro de las características
descritas en las primeras líneas del producto según el fabricante, dice que puede trabajar
25
a bajas y altas frecuencias, además de ser ideal para su colocación en maquinaria, cajas de
cambio de velocidades y otras estructuras.
• PVEH.- Tiene una altura de 4cm, puede producir una salida de 3.2V de corriente
directa con una potencia de 30mW, aplicando una aceleración de 1.5g. Para la
obtención de esta información se sometió el dispositivo a vibraciones de lkHz.
Cuenta con un capacitar de 0.55F, el cual puede almacenar 1500mJ; su tiempo de
carga es de 6 minutos.
mm
I ]o
Normallzed PVEH Output Ver5U5 Frequency
100"• -------
1 ao-·
'g 6~. t i ~-d 1 O"• ---..----..-----,---~-
990 1000 1010 1020 1030 F~q11fflcy (Hz)
Figura. 21 A) y 8} respectivamente- Dispositivo piezoeléctrico y grafica de potencia de
salida contra frecuencia [20).
• MVEH. Su tamaño es de 6cm, y a gran diferencia del modelo anterior, este
dispositivo trabaja a muy bajas frecuencias (desde 15 hasta 60Hz), cuenta con un
súper capacitar para el almacenamiento de energía. Este dispositivo se puede
ajustar para poder operar a diferentes frecuencias. Genera 4mW con una entrada
de 20Hz, con un voltaje de salida de 3.2v corriente directa, el capacitar que se usa
es 0.lF y tiene un tiempo de carga de 8.5 minutos a 18Hz, con una capacidad de
almacenamiento de 330mJ. Una característica relevante es que cuenta con un
convertidor "Buck/Boost", el cual permite tener una variación en el voltaje de
salida.
26
mm 60
30
00
Normalized MVEH Output Versus Frequency
o-. ,. 16.25 16.75 17.25 17.75 18.25 18.75
Figura. 22 A) y B) respectivamente. Dispositivo piezoeléctrico y grafica de potencia
de salida contra frecuencia [21].
3.4.5 NOLIC.
Esta empresa construye dispositivos a la medida, donde sus dispositivos se enfocan en las
soluciones de baja potencia, lo que hacen estos dispositivos es convertir presión mecánica
en energía eléctrica. Estos dispositivos se crean con un sistema multicapa, en donde se
ponen delgadas capas de cerámica entre cada electrodo dentro del comprimido,
generando energía para dispositivos de baja potencia.
Tiene como ejemplo el siguiente dispositivo.
• Generador multicapa de medidas de Sx5x2 mm
• Capas delgadas con un grosor de 67um.
• Genera un energía de 12mJ
El medio de almacenamiento para la energía cosechada es un banco de capacitares,
cuando el banco de capacitares alcanza un voltaje de 5.2V el modulo se activa y habilita la
salida de voltaje. Cuando se alcanza ese voltaje de salida en el banco de capacitares, el
27
mismo banco es capaz de entregar SSmJ, de la misma manera el circuito del banco de
capacitares se vuelve a cargar cuando su voltaje decae a 3.lV, sin embargo el banco se
desactiva mientras esté por debajo de los 5.2V.
Las características más destacadas del banco son:
• Entrada de O hasta +/- SOOV
• Corriente alterna o directa de 400mA.
• Potencia máxima de entrada SOOmW.
• Voltaje mínimo para iniciar la carga a 6v con SOOnA
• Fijación interna de voltaje 7V a lOmA
• Voltaje de Mantenimiento 3.lV
• Energía promedio utilizable SSmJ
Especificaciones del dispositivo piezocerámico (recolección de energía por medio de
dobleces).
• Peso de 10.4g
• Una capacitancia de 232nF
• Frecuencia de Resonancia de 52hz.
• Voltaje de circuito abierto+/- 20.9V pico
• Corriente de circuito cerrado de+/- 57uA/hz
• Potencia de salida 7.lmW
• Deflexión nominal +/- 2.6mm
28
+01--~ HARV[S"ílNG u;g,
cmcurr -o¡--~+-.!
+
Figura. 23 A) y B) respectivamente. Dispositivo de almacenamiento y diagrama
esquemático al ejercer fuerza sobre el dispositivo cosechador de energía genera una
diferencia de potencial y la energía es almacenada en el banco de capacitares [22].
3.5 Dispositivos Termoeléctricos
Un generador termoeléctrico convierte directamente calor en electricidad. El calor induce
la circulación de una corriente eléctrica al fluir desde la parte caliente a través del módulo
termoeléctrico. Un módulo termoeléctrico consiste principalmente en sustratos de
cerámica y semiconductores tipo P y N. Estos son algunos de los dispositivos actualmente
disponibles en el mercado:
3.5.1 Marlow Industries, /ne.
La empresa "Marlow Industries" se dedica a la creación de dispositivos
termoeléctricos para diversas industrias como la espacial, defensa, industrial,
automotriz, así como generación de energía y telecomunicaciones.
29
• NL1023T módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de 27°C en
el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 64ºC,
proporciona una corriente máxima de 1.8A y un voltaje máximo de 8V. Las
medidas de este módulo son de 13.16mm de altura, 13.16 mm de largo y 2.16 mm
de 60 _,
~ -tlO
,;_, ..-LU -.. __,,,
~ 40 "' .,.,
1- .,. ,.,, ..., O=O §! 20
, - -;::. T=O ,~ 00
O O O 4 O 6 1 2 Hi 2.0 CURRENT CAt.1PSJ
espesor y su precio es de $63.5 USD (mayo de 2012).
Figura. 24 A) y B) respectivamente. Dispositivo termoeléctrico y grafica de voltaje contra
corriente [23).
• SPS255-12ACM módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de
27°C en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 69ºC
proporciona una corriente máxima de 1.9A y un voltaje máximo de 2.7V. Las
medidas de este módulo son de 6.02mm de altura, 8.18mm de largo y 1.65mm de
espesor y su precio es de $48.9 USD (mayo de 2012).
3.0
8 2.0
> ¡ !l
~ 1.0
OA ~8 12 !~ 2~
cu ... nt (:amps)
Figura. 25 A) y 8} respectivamente. Dispositivo termoeléctrico y grafica de voltaje contra
corriente [24).
30
3.5.2 Te Technology, /ne.
Te Technology ofrece enfriadores termoeléctricos, para diferentes necesidades, además
de los enfriadores termoeléctricos ofrece sistemas de enfriamiento líquido. Sin embargo
uno de sus fuertes es la creación de los sistemas peltier (termoeléctricos).
• TE-65-0.6-0.8 módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de
27ºC en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 68ºC
proporciona una corriente máxima de 2.1A y un voltaje máximo de 8V. Las
medidas de este módulo son de 13mm de altura, 12mm de largo y 2.55mm de
espesor y su precio es de $34.1 USD (mayo de 2012).
l.00
2.00
1.00
10 ro 10 4D so 60 ro ~
Temperatuff Oifference (•e)
-+-8.1 V
-a-,.2v ----4.7V
.....,._3,1 Y
-1.6V
-muCOP
JO.O
i,.o
!20.0
li : 15.0
¡ • J 10.0
s.o
~ ~ JO ~ ~ ~ ro ~
T11:mperatuN Oifference (•e)
Figura. 26 Graficas de diferencias de temperatura contra calor absorvido [25].
• TE-8-0.45-1.3 módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de 27°C
en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 67°C
proporciona una corriente máxima de 0.7A y un voltaje máximo de lV. Las
medidas de este módulo son de 5mm de altura, 3.4mm de largo y 2.3mm de
espesor y su precio es de $23.3 USD (mayo de 2012).
31
0.40
0.)5
O.JO
0.20
0.15
O.JO
o.os
10 ro 30 ~ ~ ~ ro M
Tenll)e'nlhare Oifference (ºC)
-1v
.....,__.0,8 V
~0.6V
-M-0.4 V
-o.2v -ma,.:COP
1.4
1.2
!.O
0.8
0.6
0.4
0.2
o.o W ~ ~ ~ ~ W ro M
Temperature Oifference. (:.e)
---o.e v _,._0,6V
........... o.4V
-o . .?V
Figura. 27 Graficas de diferencias de temperatura contra calor absorvido [26].
3.5.3 Tellurex.
Tellurex es una industria encargada en creación de dispositivos peltier, así
como sistemas con efecto seebeck, para ello tiene un gran mercado en la
industria, desde aplicaciones médicas, biomédicas, telecomunicaciones,
defensa y seguridad.
• Gl-34-0315 módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de 27°C
en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 175ºC
proporciona una corriente máxima de 0.5A y un voltaje máximo de 2.8V. Las
medidas de este módulo son de 34mm de altura, 31mm de largo y 3.2mm de
espesor y su precio es de $35 USD (mayo de 2012).
Performance Graph
TCold = so• e, THot = 1 so• e
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Load Resistance
1.8
1.S
1.2
0.9
0.6
0.3
r-o 11 CI. ,. 3 ,, .. llt
i ..
Figura. 28 A) y B) respectivamente. Grafica de voltaje de carga contra resistencia de carga
y dispositivos termoeléctricos [27].
32
3.6 Microcontrolador.
Para la aplicación de sensado y control se buscó los microcontroladores de última
generación de Texas lnstruments, la cual es una empresa global encargada de diseñar y
manufacturar dispositivos semiconductores, así como herramientas de software para
poder hacer la programación de los dispositivos que lo requiere.
• CC2540
Para hacer uso de los microgeneradores de energía así como tener una aplicación
funcional requerimos de un microcontrolador, para probar y tener una aplicación final,
para ello investigamos microprocesadores de nueva generación y que fueran de ultra bajo
consumo energético. Nuestra primera opción fue el CC2540DK de Texas lnstruments. Al
ser DK (Development Kit) tiene una tarjeta de desarrollo que te permite trabajar con todas
las herramientas disponibles como lo son:
• Una pantalla de doble línea.
• Joystick para manipular movimientos en dos dimensiones.
• Leds
El núcleo de la tarjeta es un lntel 8051 para hacer procesamiento, además cuenta de
manera embebida el sistema de comunicación inalámbrico Bluetooth 4.0 (Bluetooth Low
Energy).
• MSP430G2553.
El microcontrolador que utilizamos para el desarrollo del proyecto de ingeniería es de la
familia MSP430 de TI. Es un microcontrolador de ultra bajo consumo energético, no
cuenta con otros sistemas embebidos, sin embargo es más fácil de utilizar que la
propuesta anterior, y dado el tiempo que tenemos para el desarrollo del proyecto
optamos por utilizar este MCU.
33
3.7 Módulos de comunicación inalámbrica.
Además de los microgeneradores de energía, el sistema final necesita transmitir de
manera inalámbrica la información recolectada en los diferentes sensores. Para este
propósito se decidió utilizar un módulo Bluetooth. Los módulos Bluetooth suelen ser una
buena opción para la eliminación de cables debido a:
• Los módulos Bluetooth hacen uso de protocolos estandarizados. Lo que asegura
una alta compatibilidad entre dispositivos.
• Existen módulos con un bajo consumo de energía y con diferentes modos de
ahorro.
• Actualiza ble y compatible con viejas tecnologías inalámbricas.
Además de las ventajas anteriores, existen módulos bluetooth que traen integrados todo
tipo de periféricos y protocolos, lo cual los convierte en sistemas altamente versátiles,
esto permite disminuir el tamaño del producto final, ya que no es necesario agregar
ningún elemento externo al PCB (Printed Circuit Board), lo que también ayuda a disminuir
el consumo de energía del sistema. Además, sólo se consideraron aquellos módulos con
antena integrada. Con esto en mente procedimos a investigar los módulos bluetooth
existentes en el mercado y decidir cuál cumplía con las necesidades del diseño final. La
siguiente tabla muestra un listado de los módulos Bluetooth que satisfacen las
necesidades de diseño del sistema. Al final solo un módulo fue elegido.
Figura. 29 Módulos bluetooth BLE112 [28].
34
Blue Radios
... .... :::i l>O vi' QJ > QJ c. ~ l>O ' e .o u ... ... > e ... E o E e n, :::i ·s =- VI
QJ a: X o ·¡:; a. '> e .E n, :::i n,
~ ....
z :::i n, ~ ·¡¡; c. ·¡¡; QJ ... e- ... .... e :::i u VI l>O X
t'. ~ n, QJ QJ Vl QJ :::i e e UJ
Cl 3: a: u n, n, LL Vl .... n, c.. o 1- a: c..
2V BR- Watch dog timer, UART, SPI, USB data interface, AT
2.4 1 4 -95 - 18 150 LE4.0- 30mA modem like commands, 2 ADC, 3 Sleep Modes, With
GHz Mbps dBm dBm 3.6 mA m S2A integrated antenna.
V
2.4
WML- GHz 12 - 83 40m 100 UART, Audio Interface, AT modem like commands, 2 Sleep 721kbps 3.3V 80mA
C40AH -2.4 dBm dBm A m Modes, With integrated antenna.
GHz
Tabla 3. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Blue Radios.
ConnectBlue
... .... :::i QJ ~
c. > l>O .... '
... .... e :::i .o :::i "> > o :p .... E u QJ :p ' ' l>O ' .... u e .... ' ·¡¡; ... e
~ .E n, :::i n, QJ - z QJ a: .... e l>O > e :~ QJ VI :::i :::i QJ QJ n, a. QJ QJ VI l>O n, e t'. e- n, X 3: Vl .... c. :: u e e ....
n, ~ ... n, o 3 n, ...
~ n, n,
~ o :::i :::i QJ
~ n, X
c.. LL Cl c.. > Vl u a: a: UJ
3 Power Consumption Modes, UART, AT CB- 3V
2.4G 460.8Kb 5 -84 25.1 25.1 150 commands, 9 1/0 pins, Well documented, With OB54101- -
HZ ps dBm dBm mA mA m integrated antenna, Provides software for AT 04-0 6V
programming, Watchdog Timer.
3 Power consumption modes, UART, 12 1/0
(firmware options), 4 A/D-converter channels (10 CB- 3V
2.4G 1.36Mb 4 -84 15.5 25.1 150 bit) (firmware option), and Wireless multidrop OB54111- -
Hz ps dBm dBm mA mA m with up to 3 slaves, Well documented, provides 04-0 6V
software for AT programming, with integrated
antenna.
Tabla 4. Características eléctricas de dispositivos 8/uetooth de ConnectBlue.
35
Free2Move
t>0 e: X ... > ·5 n:, ::, c. ·¡¡; .... 2 c. c. u t>0 (]J ... ::, (]J
.e > ' ::, Vl a: e:
(]J o > :¡:; E u ... ... ' ' ' ... ::, e: n:, ' ·5 (]J ...
~ .E
z (]J a: cii :¡:; t>0 e: (]J ::, n:, (]J "' "' ... C" n:, ;: ·¡;;¡ != :: e: t>0 ~ ....
~ ... e:
B n:, e: ... n:, n:, o (]J o ::, .... n:, X o.. LL Cl o.. Vl > u 1- a: UJ
-20 Piconet/Scatternet capability, PCM interface, Digital and
F2M0 - 3.lV Analog (8 bit) 1/0 interface, wireless UART, SPP, Serial 2.4G 3 dBm 350m
3GLA- 83dB - 3SmA 75mA Interface, Low Consumption mode, Well Documented, Hz Mbps -2 (LOS)
501 m 3.6V Provides software and firmware to EVK. With integrated dBm
antenna.
Tabla 5. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Free2Move.
Laird Technologies
... ::,
.... c. t>0 (]J
' ... e: .e ::, > (]J o > :¡:;
E u ... ... ' t>0 ' ... ::, e: n:, ' ·5 (]J ... e: ... .E z (]J a: .... ".jj t>0 > e: ·5 e: (]J "' ::, (]J ·¡;;¡ n:, c. ~ ·¡¡; ~ "' t>0 g ... C" n:, X ;: ... e: ....
~ ... n:, e: o c. u :i n:, e:
n:, n:, 2 o (]J ::, ::, (]J .= n:, X
o.. LL Cl o.. Vl > Vl u a: u a: UJ
Stereo Codee, Mic Input, AT command interface, 3V
BTM52 2.4G 2.1 8 -86 300m Software for AT programming. Uses AT command to - 80mA 80mA 1 HZ Mbps dBm dBm (LOS) program the module, UART, Low Power Sniff Mode,
4.2V ADC, 1/0 analogical and digital, Well, documented.
Stereo Codee, Mic Input, AT command interface,
- includes programming software, it is programed BISMS0 2.4G 300m
300Kbps 6dBm 86d 3.3V-8v - 36mA using AT.commands, includes AT manual, UART, Low 2B1 Hz (LOS)
Bm Power Sniff Mode, ADC, 1/0 analogical and digital,
well documented.
Tabla 6. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Laird Technologies.
36
... QJ
.e E :::, z t'. ni o..
RN-
42(RN4
2-
1/RM)
RN-
41(RN-
41-N)
Roving Networks
.... :::, o. tlD ....
> ' :::, e: QJ o > :¡:¡ u .... .... ' tlD ' ;!= e: ni ' "> .... e: ....
QJ cr. ... :¡:¡ 2:- e: ·;; e: E QJ :::, QJ
~ ~ VI VI
C" ni X ::: ·¡;:¡ o. ·¡¡¡ e: tlD ~ QJ .... ni e: o. u ni e:
ni o QJ :::, :::, QJ :::, ni .... ...
~ ~ X u.. o o.. V"l V"l u cr. u cr. U.J
Este módulo de Bluetooth cuenta con pines de
3V propósito general, así como ser un dispositivo 2.4G 3 4 -80 20m - 30mA 30mA compatible con las versiones 1.0 hasta la 2.1 de BT, HZ Mbps dBm dBm (LOS)
3.6V además de ser simple de configurar por su lista de
comandos.
Cuenta con características similares a las del módulo
3V RN-42, sin embargo la gran diferencia es que éste es 2.4G 3 -80 100m
lSdBm - 35mA l00mA un dispositivo de clase 1 por lo que el consumo de Hz Mbps dBm (LOS)
3.6V corriente es más alto, sin embargo tiene un mayor
alcance.
Tabla 7. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Roving Networkss.
Los dispositivos anteriores cumplían con la mayoría de las características necesarias de
diseño pero ninguno las cumplía todas. Cabe señalar que no solo importa que tan bien se
puede desempeñar el equipo, al momento de decidir que módulo usar también tomamos
en cuenta toda la documentación, software y hardware que incluye el proveedor, ya que
la falta de documentación, software o hardware puede retrasar y hasta provocar que todo
el proyecto fracase. Por esto, adquirimos el módulo de transmisión RN-42 de la empresa
Roving Network, por la facilidad de manejo, las características electrónicas, así como la
documentación que tiene para poder ser programado, este dispositivo tiene una gran
ventaja a comparación de los demás módulos o dispositivos, que este dispositivo puede
ser programado desde un teléfono celular, o un equipo de cómputo que cuente con
módulo de comunicación Bluetooth interno. El consumo de energía es crítico, sin embargo
dado sus configuraciones eléctricas el dispositivo puede ser manejado de tal forma que la
corriente que utilice mientras no se están transmitiendo datos sea muy baja (en el orden
de los µA).
37
3.8 Medios de recolección.
El medio de almacenamiento es importante para el proyecto, por la potencia que se le
demanda. Para ello contamos con dos propuestas de medio de almacenamiento el
primero enfocado para el uso de un termoeléctrico o termopila, mientras que el segundo
está enfocado para el uso de un sistema piezoeléctrico.
3.8.1 Circuito LTC3108
De la empresa Linear Technology tenemos el LTC3108 el cual es un integrado que
convierte de CD/CD ideal para la cosecha y manejo de excedentes de energía a partir de
fuentes de entrada con voltajes muy bajos (menores a lV}, como un generador
termoeléctrico o una termopila. El integrado funciona con voltajes tan bajos como de
20mV. El LTC3108 es capaz de otorgar voltajes de salida variables. Esto gracias a su salida
LDO (Regulador lineal de baja caída) nos es posible el sensado y transmisión inalámbrica.
Nos otorga 2.2V fijos, ideal para conectar un microprocesador, mientras que la salida
principal puede ser programada en uno de sus cuatro voltajes variables para alimentar un
transmisor inalámbrico. Tiene un segundo capacitor de reserva que entrega la energía
cuando el voltaje de entrada esta deshabilitado.
VouT Charge Time
1ooor.;;;;;~~~É~E~~ 1 ~OlJT = 3.3V ... Cour = 470~F -+-~--+--+---+----<
·---~ ··· 1
\
........... ~~--= - ·······~-----·-----1 ""-.. - ,..¡,_-
1:100 Ratio - 1:50Ralio
0 ~-----1:2_0 R_ati_·o ~~~~I~ O 50 100 150 200 250 300 350 400
V1N (mV) 3Ulil~l!l
Start-Up Vollage Sequencing
3108Gl2 10sec/DIV
Figura. 30 Gráficas de cargas para el almacenamiento de energía [29].
38
3.8.2 Modo de operación
Los circuitos activos dentro del integrado son alimentados desde Vaux, donde se conecta
un capacitar de lµF. Una vez que Vaux supera 2.SV el Vaut principal está autorizado a iniciar
la carga, un regulador interno limita la tensión máxima en Vaux a 5.25V. Cuando se excede
o no hay carga, o la fuente de entrada está generando más energía de la requerida para
Vaux el excedente de corriente en Vaux se va a tierra.
El LTC3108 incluye un regulador lineal de baja caída (LOO) que proporciona una baja
corriente y una salida regulada de 2.2V para la alimentación de un procesador de bajo
consumo o de otros circuitos integrados de baja potencia. El LOO es impulsado por el
mayor entre Vaux y Vaut· Esto permite que se active tan pronto como Vaux se haya cargado a
2.3V, mientras que el condensador de almacenamiento Vaut se siga cargando. Si los niveles
de Vaux caen por debajo de Vaut la corriente se cambia al condensador principal Vaut·
El LOO requiere un condensador 2.2µF de cerámica para la estabilidad. Se pueden utilizar
valores más grandes de condensadores, pero aumentará el tiempo necesario de carga de
todas las salidas.
La tensión de salida principal en Vaut se carga desde la fuente de Vaux, y se puede
programar por el usuario para otorgar cuatro diferentes voltajes regulados mediante una
selección de los pines Vsl y Vs2, de acuerdo con la siguiente tabla.
VS2 VSl VOUT
GNO GNO 2.35V
GNO Vaux 3.3V
Vaux GNO 4.1V
Vaux Vaux sv
Tabla 8. Diferentes configuraciones para elegir el voltaje de salida
39
Aunque la tensión del umbral lógico para Vsl y Vs2 es 0.85V típica, se recomienda que
estén ligados a tierra o Vaux·
Cuando el voltaje de salida cae ligeramente por debajo del valor regulado, la corriente de
carga será activada mientras Vaux es mayor que 2.SV. Una vez que Vout ha alcanzado el
valor apropiado, la corriente de carga será apagada.
En una aplicación típica, un condensador de almacenamiento está conectado a Vout· Tan
pronto como Vaux excede 2.SV, el condensador Vout se le permitirá cargar hasta su tensión
regulada. La disposición actual para cargar el condensador dependerá de la tensión de
entrada y la relación de espiras del transformador, pero está limitada a aproximadamente
4.SmA.
Vout2 es una salida que puede ser encendida y apagado por el usuario, con el pin Vout2_En.
Cuando se activa, Vout2 se conecta a Vout y esta salida se puede utilizar para circuitos de
potencia externos, tales como sensores y amplificadores, que no tienen una capacidad de
apagado. Vout2 puede ser utilizada para alimentar estos circuitos sólo cuando son
necesarios. También tiene un circuito !imitador de corriente que limita la corriente de pico
a 0.3~.
La salida Vstore puede usarse para cargar un condensador de almacenamiento de gran
tamaño o una batería recargable después de que Vout ha alcanzado la regulación. Una vez
que ha llegado a Vout a regulación a la salida Vstore se le permitirá cargar hasta la tensión de
Vaux· El elemento de almacenamiento en Vstore puede ser utilizado para alimentar el
sistema en caso de que la fuente de entrada se pierda, o sea incapaz de proporcionar la
corriente exigida por las salidas Vout, Vout2 y LDO.
40
~~ 1 1 1 1
PGD (V)
1
::1 J¿ 1 1 YorrM --+------1---+-1----+--~
~lz 1 1 ::k 1 ~ 1
o 10 20
1 V~XM
30 40
TIME(ms)
50
1
j 60
Figura. 31 Voltajes en el medio de almacenamiento [30].
70 80
Como podemos observar en la gráfica el VLDO es el voltaje inmediato al conectar, al
mismo tiempo el capacitar conectado a V Aux va almacenando una carga (hasta llegar a SV),
al mismo tiempo el voltaje de salida va incrementando hasta llegar por arriba de los 2.SV
donde hace que PGD se active (interrupción para despertar un micro controlador por
ejemplo)
3.8.3 Circuito integrado LTC3588.
De la misma empresa, Linear Technology, encontramos el integrado LTC3588, el cual
permite la entrada de una señal de AC para convertirla a una señal de DC, dentro del
circuito integrado se encuentra un rectificador de baja perdida de potencia, el cual
permite la conversión a una señal de DC; además, el circuito integrado tiene un
convertidor "buck", el cual ayuda a que el circuito integrado, junto con los demás
componentes, se pueda acoplar una carga de alta impedancia. Una característica
importante del convertidor "buck'' es su dinamismo ya que puede pasar del estado "ON"
al "OFF" las veces que sea necesario con tal de mantener el voltaje de salida regulado.
41
Igual que su contraparte, el LTC3108, este dispositivo contiene cuatro salidas de voltaje,
donde una de ellas puede fijarse a los siguientes voltajes de salida 1.8V, 2.SV, 3.3V y 3.6V
con una corriente continua de hasta lOOmA. Un capacitor de salida puede ayudar a que el
paso de la corriente sea mayor según lo demandado por la carga que esta acoplada al
sistema de almacenamiento.
LTC3588-1 3.3V Regalator StaJt..Up Profile 22 2D
18
16
s; 14
¡,2 g ,a
1
li
4
2
a o
CslMA&E • 22~ Cour • 47¡1 NO L<W>. 1v111 • 2¡¡A I
/ 1 1 I
"-1 I
I V
• ,,., Voor
/ 1 _,_
,r PGOOD• LOGIC 1- -I r .
TIME {51 --Figura. 32 Gráfica de Vin, Vout, PGOOD [31].
3.8.4 Modo de operación.
El dispositivo está diseñado para trabajar directamente con un piezoeléctrico o con una
fuente de AC, por lo que la señal de salida generada por el piezoeléctrico, como la de
cualquier fuente de AC, es rectificada usando un puente de diodos rectificador de onda
completa; la energía proveniente de la señal rectificada se almacena en un capacitor
externo al dispositivo.
La señal rectificada es almacenada en un capacitor externo que a su vez se conecta al Vin,
este capacitor sirve como una fuente de energía de reserva para el convertidor Buck. Cabe
destacar que el puente rectificador tiene la capacidad de soportar una corriente de
entrada de hasta SOmA, por lo general su entrada es de aproximadamente 10 µA para un
funcionamiento típico.
42
Para que el capacitar de salida sea activado se necesita que el voltaje de entrada en Vin
sea mayor al voltaje UVLO de subida (Undervoltage Lockout), por lo que el convertidor
"buck" se habilita, y la carga del sistema se transfiere al capacitar de salida. De manera
inversa, cuando el voltaje del capacitar de Vin cae pode debajo del UVLO de bajada el
convertidor "buck" se deshabilita, sin embargo el sistema es capaz de seguir cargando el
capacitar de entrada a un corriente mínima de 450nA. Se tiene una característica muy
peculiar donde si el voltaje de entrada decae por debajo de UVLO de bajada, antes de que
el voltaje de salida llegue a ser regulado, el convertidor "buck" se desactivara y no podrá
habilitarse hasta que el voltaje de entrada Mn) este ligeramente por arriba de UVLO de
subida. Cuando el "buck" regula el voltaje de salida, el convertidor se pone en modo
"sleep", monitoreando a su vez el voltaje de salida, durante este periodo donde el
convertidor está en modo "s/eep", el capacitar de salida es el que provee la corriente.
Cuando el voltaje de salida decae por debajo del voltaje de regulación el convertidor se
re-activa y repite el ciclo para que el voltaje llegué al de regulación nuevamente.
El dispositivo es capaz de regular una de sus salidas, donde se obtienen voltajes de salida
fijos pero a diferentes valores. Para obtener dichos voltajes de salida se deben de
conectar los pines Dl y DO como se muestra en la siguiente tabla:
01 DO VOUT
GND GND 2.35V
GND V¡n2 3.3V
V¡n2 GND 4.1V
V¡n2 V¡n2 sv
Tabla 9. Diferentes configuraciones para elegir el voltaje de salida
Un comparador llamado PGOOD produce una referencia lógica en alto cuando el
convertidor llega al estado de "sleep", sin embargo el "PGOOD" se desactiva cuando el
43
voltaje de salida cae en un 8% con respecto al voltaje de salida óptimo. Aun cuando el
voltaje de entrada caiga por debajo del UVLO de bajada o no exista alguna entrada,
PGOOD permanece encendido bajo la misma premisa de que solamente está en "high"
cuando esté por encima del 92% de la capacidad del dispositivo. El uso práctico de este
pin es para manejarlo como una interrupción en un microcontrolador ya que nos permite
saber cuándo es que el voltaje de salida está regulado y cuándo es que se debe de regular.
TOPVIEW
PZ1 1 1 O PGOOO PZ2 2 9 DO CAP 3 8 01 VtN 4 7 Vm2 sw s-..; __ ....;;.,6 Vour
MSEPACKAGE 10-LEAD PLASTIC eMSOP
Figura. 33 Distribución de pines del Integrado [32).
Características de voltajes y corrientes.
Como características importantes tenemos que su voltaje de entrada máximo es de 18V
así como una corriente de entrada mínima de 450nA. El voltaje UVLO tanto de subida
como de bajada depende de la configuración de Vout· Para UVLO de subida su rango se
encuentra entre 3.77V hasta 5.47V. (Dependiendo de la configuración de salida), para
UVLO de bajada su rango se encuentra entre 2.66V hasta 4.28v (dependiendo de la
configuración de salida).
VOIJT Regulated Output Voltlge 1.8V Oulput Scleded Slecp Threshold • 1.812 1.890 Wake-Up Tbreshold • 1.710 1.788
2.5V Outpul Seleded Sii:ep Tlm:sllold • 2.512 2.575 Wake-Up Tbresllold • 2425 2.488
3.JV Oulput Seleded Sleep Tlm:shold • 3.312 3.399 Wake-Up Tbn:shold • 3.201 3288
3.6V Oulpul Seletted Sieep Th111shold • J.612 l.708 Wake-Up Tbresbold • 3.492 3.588
Figura. 34 Tabla de Rangos de Vout, "Sleep", Wake-up [33).
44
3.8.5 Circuito EH300.
De la empresa Advanced Linear Devices, lnc. Tenemos el medio de almacenamiento
EH300A el cual permite un rango de operación de salida de 3.3V o SV de corriente directa
a su salida, este dispositivo permite un rango de entrada desde .±_S00V en su pico máximo
de entrada, pudiendo ser AC o DC con un rango de 200nA hasta 400mA de entrada al
sistema.
Una de las ventajas que encontramos en este dispositivo es que nos permite almacenar la
corriente que se genera. Su entrada de voltaje puede ser tanto un voltaje fijo como uno
intermitente, por lo que la corriente de entrada puede ser de AC o de DC, al mismo
tiempo este dispositivo permite almacenar la energía que se presenta de forma irregular
por lo que es ideal para piezoeléctricos; en un ambiente ideal el piezoeléctrico
proporciona una señal de AC puramente senoidal, sin embargo en un ambiente real, como
el caso donde el microgenerador de energía está atado a un motor, la señal que produce
es senoidal con distorsiones o ruido, ya sea por las características del piezoeléctrico, o por
las diferencias en las vibraciones del motor.
El fabricante dice que con una corriente constante de l0µA tiene un tiempo de caga de 4
minutos, mientras que si la corriente es de lµA el tiempo de carga se prolonga a 40
minutos. Por lo que a menor corriente se incrementa en un factor de 10 el tiempo de
carga.
Funcionamiento.
El principio de carga del dispositivo debe empezar con una diferencia de potencial
positivo, por lo que si se utiliza corriente directa se debe empezar con una excitación
positiva, mientras que la carga con corriente alterna debe de empezar en un ciclo positivo,
siendo el cruce por cero pase una fase negativa a una fase positiva. El dispositivo de
almacenamiento cuenta con un circuito integrado (driver) que le permite saber cuándo se
45
puede utilizar la energía que está siendo cosechada, por lo que se tiene dos parámetros
Cuando el voltaje de VH ha sido alcanzado la salida del medio de almacenamiento se pone
en un estado de "ON" permitiendo que la energía almacenada pueda ser aprovechada por
otro circuito. Una de las grandes ventajas es que el circuito puede permanecer en estado
de ON sin importar que se siga teniendo una entrada en el cosechador de energía (medio
de almacenamiento). Este estado de ON se convierte en un estado de OFF cuando la
energía demandada por otro dispositivo es mayor a la que se tiene en el banco de
capacitares del cosechador de energía. Así mismo otra ventaja es que no importa que la
energía de entrada siga en aumento el driver que está conectado al banco de capacitares
se ancla a un límite por lo que no afecta al sistema.
Cuando la carga de los capacitares decrementa y llega al estado VL el driver se pone en el
estado "OFF" por lo que al estar en este estado, el sistema de almacenamiento de energía
deja de proporcionar energía a otro dispositivo y únicamente este volverá a estar en un
estado de "ON" hasta que se vuelva a llegar a VH, y el proceso se repite para poder
proporcionar energía. Una de las desventajas que observamos y que puede perjudicar la
aplicación que se haga posteriormente, es que únicamente se podrá activa en ON hasta
que se llegue a VH sin importar si la diferencia de potencial y la corriente se encuentran en
un estado intermedio, por lo que se necesita llegar siempre a VH para poder operar
posteriormente .
46
EH300/EH301 W1vwfonn1
Figura. 35 Graficas de operación del dispositivo [34).
En la gráfica superior de la imagen 51 podemos observar todo un ciclo de funcionamiento
con carga, descarga del banco de capacitores así como el funcionamiento del driver para
almacenar la energía. En la segunda gráfica es solamente el principio del estado "ON"
donde t1 y t2 son los tiempos en el que se alcanza el estado anterior.
De gráfica inferior de la figura 50 podemos observar el t3 como el tiempo de
funcionamiento de un dispositivo externo (por ejemplo un microprocesador), este tiempo
depende del consumo de energía que tenga el dispositivo externo.
Cabe mencionar que tanto el t1 como el t2 son dependientes de la diferencia de potencia
y la corriente que se está suministrando al dispositivo.
47
1 Tom-do"°""""''~º"""';.;..,;;. I Biblloteca
Características Generales.
Voltaje Corriente Potencia Rango de Voltaje y Voltaje de
máximo máxima de máxima temperatura corriente anclaje
de entrada de de mínima de
entrada entrada operación entrada
_±S0Ov 400mA S00mW 0- 70 ºC 0.0v a lnA 7v
Tabla 10 características del dispositivo EH300.
Características típicas de operación.
Salida en
nivel bajo( VL)
1.8v
Salida en Niveles de Disipación de Energía útil a
nivel alto(VH) carga potencia la salida
3.6v 4v a S00nA 2µW 30mJ
Tabla 11 características típicas del dispositivo EH300.
TYPICAL CABLE CONNECTION
INPUT CABLE: O EHJ1C J1
BROWN
BROWN
o
EH300J'EH301 MODULE
J2
O OUTPUT CABLE EHJ2C
>-+---RED f-+---GREEN f-+---YELLOW
L'.!_j-t----- 61..ACK
o
Figura. 36 Conexiones del módulo [35].
48
Corriente
máxima de
salida
1!!
POWERING APPLICATION LOAD MODULE
o
EHmBl~1 MOOll.E
.12º 1
APA..K:ATION LOAOMOOl.lE
VP 21-+---+ +V 3
GND 4 1-+----l GND
o
IMPULSE POWER TO MICRO CONTROLLER WITH 110 HANDSHAKE
EH300Bl301 IIXJUI..E MICRO OONlROUER
o J1 .12º 1 21-+-----1 V+ 3 110 4 GND
o o 1Kll
Figura. 37 A) y B) respectivamente. Diagramas típicos de funcionamiento [36].
49
Capítulo 4: Diseño y desarrollo de los sistemas
4.1 Introducción.
Se realizaron diversas pruebas con dos tipos de sistemas diferentes, uno cosechando
energía a partir de un piezoeléctrico y la otra serie de pruebas fue a partir de un
termoeléctrico. Las pruebas realizadas se llevaron a cabo bajo diversos escenarios para así
poder observar en cuál se tenía un máximo rendimiento de cada uno de los dispositivos.
4.2 Diseño del micro generador piezoeléctrico.
4.2.1 V21BL en "subwoofer''
Ya que el piezoeléctrico necesita de vibraciones constantes para poder generar energía las
primeras pruebas fueron utilizando un "subwoofer'' para conseguir estas vibraciones.
Además así fue posible verificar a que frecuencias y con qué masas añadidas daba el mejor
rendimiento. Al añadir una masa en la punta del piezoeléctrico podemos aumentar la
amplitud del voltaje obtenido por las vibraciones dependiendo de la frecuencia de
oscilación, además esta nos ayuda a tener una mejor forma en la señal en forma de
energía (señal senoidal con o sin perturbaciones).
Figura. 38 Piezoeléctrico en "subwoofer" Primeras pruebas
so
4.2.2 Piezoeléctrico V21BL en motor
Para poder hacer mediciones reales con el piezoeléctrico era necesario adaptar el diseño
para poder realizar las pruebas en un motor, por lo que se utilizó un imán capaz de estar
anclado en metal y el cual es difícil de remover por sus características, a este se le atornilló
una pequeña placa de MDF (tablero de fibra de densidad media) para poder fijar el
piezoeléctrico al aglomerado. También se colocó en la punta una masa de compensación,
para mejorar la amplitud en la señal generada por el piezoeléctrico.
Figura. 39 Piezoeléctrico en motor segunda prueba
4.3 Diseño del micro generador termoeléctrico.
Para realizar las pruebas con el termoeléctrico se utilizaron varios materiales para poder
garantizar la diferencia de temperatura adecuada. Estos materiales fueron: plancha de
calor, placa delgada de aluminio, aislante térmico (corcho con
conductividad térmica: 0.036 - 0.042 W/K*m), disipador de calor y ventilador. Con esto
hicimos una especie de "sándwich" para separar el dispositivo y generar las diferencias de
temperatura.
51
Figura. 40 Materiales utilizados con el termoeléctrico: placa de aluminio, aislante térmico
(corcho), disipador de calor y ventilador
Figura. 41 Termoeléctrico con disipador
4.4 Desarrollo del sistema piezoeléctrico
4.4.1 V21BL en "subwoofer"
Comenzamos a realizar pruebas según las especificaciones del fabricante, con ayuda del
generador de funciones y el subwoofer. Para las pruebas realizadas se emplearon
diferentes masas en la punta del piezoeléctrico para poder ver que voltajes se podían
generar a partir de una amplitud definida en el generador de funciones. El voltaje del
generador de funciones se dejó fijo, para darle cierto grado de repetitividad y congruencia
52
a las pruebas. Dicho voltaje tenía que ser constante para el rango de frecuencias a
utilizarse en las pruebas para que las pruebas fueran congruentes.
4.4.2 Generador de funciones.
En el generador de funciones establecimos una señal senoidal con un rango de frecuencias
permitidas para el piezoeléctrico de 10 hasta lSOhz con una amplitud constante a la
salida de 1.SV de la señal sinusoidal.
4.4.3 Piezoeléctrico.
Este dispositivo cosechador de energía se "ajustó" como el fabricante indico para la
obtención un mayor voltaje, el ajuste consistía en agregar masas en la punta del
dispositivo, de diferentes gramos, haciendo que el dispositivo vibrara más o menos,
mecánicamente hablando. Todas las masas que se indican en nuestras pruebas incluyen el
peso de las masas de "ajuste" y las cintas con las que fueron atadas al piezoeléctrico.
• Primera medición.
La primera prueba se hizo sin masa para poder medir el voltaje máximo, mínimo y voltaje
pico a pico de la señal generada. Cabe mencionar que el voltaje generado es voltaje de
corriente alterna, por lo que se hicieron las tres mediciones anteriores para los diferentes
casos.
53
Masa de Og con alimentación de 1.SV
Frecuencia Frecuencia de Voltaje Voltaje Voltaje
Senoidal (Hz) Piezo (Hz) Máximo(V) Mínimo(V) pico -pico (V)
10 10 0.056 -0.048 0.104
20 20 0.28 -0.28 0.56
30 30 0.48 -0.74 1.22
40 40 1.28 -1.72 3
so 50 1.48 -1.88 3.36 Frecuencia de resonancia
60 60 1.48 -1.4 2.88
70 70 1.4 -1.32 2.72
80 80 1.52 -1.44 3
90 90 1.76 -1.72 3.48
100 100 2.4 -2.4 4.8
110 110 3.52 -3.6 7.12
120 120 1.92 -1.92 3.84
130 130 1.28 -1.28 2.56
140 140 1.24 -1.24 2.44
150 150 1 -1 2.04
Tabla 12.Pruebas piezoeléctrico sin masa de compensación
Como se puede ver de la primera medición sin masa, observamos que su frecuencia de
resonancia se encuentra a los SOHz, por lo que en teoría su segunda armónica se debería
de encontrar a los lOOHz. Las armónicas se midieron con un osciloscopio TEKTRONIX
TDS3032 sacando la FFT (Fast Fourier Transform).La experimentación nos mostró su
segundo armónico a llOHz. En su primer armónico nos arrojó un voltaje de 3.36Vpp,
mientras que con su segundo armónico obtuvimos. un voltaje mayor de 7.12Vpp· Cabe
mencionar que a bajas frecuencias la señal de salida del piezoeléctrico no se acerca mucho
a una onda sinusoidal, refleja como una señal periódica ya que se repite un patrón a lo
largo del oscilograma. A mayores frecuencias la señal tiende a una señal sinusoidal como
si fuera una señal medida de una conexión de corriente alterna.
54
• Segunda medición.
En esta segunda medición se agregó la masa de 2.4g (.± 0.Sg) en la punta del
piezoeléctrico, la cual fue medida en el laboratorio de química con balanzas electrónicas
calibradas, que incluso están empotradas en la pared y sobre una superficie a prueba de
movimientos, por lo que la precisión de la masa es crítica para la obtención de voltajes
adecuados.
Masa de 2.4g con alimentación de 1.Sv
Frecuencia Frecuencia de Voltaje Voltaje Voltaje
Senoidal (Hz) Piezo (Hz) Máximo (V) Mínimo (V) pico -pico (V)
20 20 1.2 -1.88 3.08
30 30 4.6 -6.2 10.8
40 40 9.6 -8.6 18.2
so so 11.2 -11.2 22.4
60 60 19 -18.8 37.8 Frecuencia de resonancia
70 70 9.8 9.8 19.6
80 80 4 -4.2 9.2
90 90 2 -2 4
100 100 1.12 -1.12 2.24
110 110 0.72 -0.72 1.44
120 120 0.52 -0.48 0.98
130 130 1 -1 2
140 140 1.88 -1.88 3.76
150 150 1.64 -1.64 3.32
Tabla 13. Pruebas piezoeléctrico con 2.4g masa de compensación
Se puede observar que para esta medición nuestra frecuencia de resonancia fue de 60Hz
con un voltaje pico a pico de 37.8V. La segunda armónica no la encontramos a los 120Hz
sino a 140Hz donde a pesar de ser su "segunda armónica" el voltaje decayó a 3.76Vpp. Las
armónicas se midieron con un osciloscopio Tektronix TDS3032 usando su función de FFT.
55
• Tercera medición.
Esta medición se hizo con una masa de 4.8g (±0,0Sg) en la punta del piezoeléctrico,
obteniendo los siguientes resultados:
Masa de 4.8g con alimentación de 1.SV
Frecuencia Frecuencia de Voltaje Voltaje Voltaje pico
Senoidal (Hz) Piezo (Hz) Máximo (V) Mínimo (V) -pico (V)
20 20 1.6 -2.16 3.76
30 30 11.6 -9.6 21.2
40 40 16.6 -16.6 33.4 Frecuencia de resonancia
so so 12.8 -13 25.8
60 60 6 -6 12
70 70 3 -2.8 5.8
80 80 1.8 -1.6 3.2
90 90 1.2 -1.2 2.4
100 100 0.88 -0.8 1.6
110 110 1.2 -1.2 2.48
120 120 1.44 -1.44 2.88
130 130 1.6 -1.6 3.2
140 140 1.6 -1.6 3.2
150 150 1.36 -1.36 2.72
Tabla 14. Pruebas piezoeléctrico con 4.Bg masa de compensación
Para esta medición su frecuencia fundamental se situó a los 40Hz con un voltaje de
33.4Vpp, mientras que el segundo voltaje más alto fue de 3.2Vpp con una frecuencia de
oscilación de 130Hz. Observamos que las segundas armónicas en todas las mediciones
anteriores no se cumplen, sino que se alejan cada vez más.
56
• Cuarta medición.
La masa fue de lg (± 0.05g) en la punta del piezoeléctrico.
Masa de lg con alimentación de 1.Sv
Frecuencia Frecuencia de Voltaje Voltaje Voltaje pico
Senoidal (Hz) Piezo (Hz) Máximo (V) Mínimo (V) -pico (V)
10 NA 0.19 -0.39 0.586
20 20 0.586 -0.976 1.56
30 30 1.17 -1.95 3.12
40 40 6.8 -5.8 12.6 Frecuencia de Resonancia
so so 4.8 -4.6 9.4
60 60 5.2 -5.2 10.4
70 70 7.8 -7.8 15.6
80 80 14.6 -14.6 29.4
90 90 4.8 -4.8 9.6
100 100 2.4 -2.2 4.4
110 110 1.2 -1.2 2.4
120 120 0.8 -0.8 1.6
130 130 1.4 -1.4 2.8
140 140 1.8 -1.8 3.6
150 150 1.8 -1.6 3.2
Tabla 15. Pruebas piezoeléctrico con lg masa de compensación
En esta medición, encontramos 3 armónicas a 40, 80 y 140hz con voltajes de 12.6, 29.4 y
3.6Vpp respectivamente.
Análisis parcial de resultados.
A partir de las pruebas realizadas se encontraron las frecuencias de resonancia y
conseguimos un aproximado de los valores pico a pico de voltaje que el piezoeléctrico es
capaz de entregar a partir de ciertas frecuencias y masas agregadas que lo hacen más
eficiente. Lo que se observó es que aunque los voltajes son muy altos (arriba de los
30Vpp), las corrientes que genera el piezoeléctrico son muy bajas para una cosecha rápida
(menor a 10s). Cuando se intentó realizar una rectificación esto no se logró ya que la
57
corriente no alcanzaba la corriente mínima requerida por los diodos para poder ser
rectificada satisfactoriamente. Uno de los datos más importantes obtenidos en estas
pruebas es que con la masa de 2.4g se consiguió el voltaje más alto a la frecuencia de
60Hz este fue de 37.8V, esto es importante ya que 60Hz es la frecuencia a la que trabajan
la mayoría de los motores por lo que esta aplicación podría funcionar utilizando las
vibraciones naturales que genera un motor y aprovecharlas para generar energía extra.
4.4.4 V21BL en motor de inducción.
Se realizaron pruebas en un motor de inducción conectado en estrella trabajando a carga
completa. Para lograr esto se utilizó un freno electromagnético para simular la carga.
Las características del motor son Vmax=330V, RPM=3350, Corriente=2.SA, Potencia=l.lkW.
El piezoeléctrico se colocó en diferentes partes del motor, y en diferentes posiciones para
conseguir el mayor voltaje cosechado, se descubrió que la caja de conexiones es el lugar
donde el piezoeléctrico otorga más voltaje. Al igual que en el subwoofer se probaron
diferentes masas de "tuneo" en búsqueda de la mayor eficiencia. Las mediciones se
tomaron con el osciloscopio, pero al ser una onda imperfecta y con ruido tenia constantes
cambios así que se tomaron varias mediciones y se sacó el promedio.
Figura. 42 Piezoeléctrico en motor, ensamble de sistema en laboratorio de conversión de
energía TEC CCM.
58
4.5 Desarrollo del sistema termoeléctrico.
Para realizar las pruebas con el termoeléctrico se utilizó una plancha de calor del
laboratorio de química para poder regular la temperatura adecuadamente. Se hicieron
pruebas para conocer el voltaje máximo que se podía alcanzar, así como la diferencia de
temperatura. Las temperaturas se midieron con termómetros digitales incluidos en los
multímetros, además se colocó un LM35 sobre la placa caliente para verificar las
temperaturas obtenidas.
Figura. 43 Termoeléctrico en la plancha
65
• Prueba 1
Temperatura Temperatura Diferencia Salida LM35 Voltaje de Salida Corriente
caliente (ºC) frio (ºC) (ºC) (mV) Peltier (V) (µ)
25 22 3 282 0.081 0.1
30 22 8 300 0.208 0.2
35 23 12 345 0.31 0.3
40 23 17 387 0.412 0.4
45 24 21 418 0.531 0.5
so 24 26 460 0.645 0.6
SS 25 30 500 0.761 0.8
60 25 35 534 0.86 0.9
65 26 39 570 0.97 1
70 26 44 612 1.08 1.1
75 27 48 651 1.19 1.2
80 27 53 680 1.27 1.3
85 28 57 717 1.36 1.4
90 28 62 730 1.41 1.5
95 28 67 784 1.55 1.6
100 29 71 810 1.65 1.7
105 29 76 860 1.76 1.8
110 30 80 900 1.86 1.9
115 30 85 920 1.94 2
120 31 89 965 2.06 2.1
125 31 94 997 2.14 2.2
130 32 98 1040 2.25 2.3
135 32 103 1090 2.4 2.4
140 33 107 1150 2.56 2.6
Tabla 20. Resultado prueba uno en termoeléctrico.
66
• Prueba 2
Temperatura Temperatura trio Diferencia Salida LM35 Voltaje de Salida Corriente
caliente (ºC) (ºC) (ºC) (mV) Peltier (V) (µ)
32 23 9 318 0.182 0.2
35 23 12 340 0.242 0.3
38 23 15 354 0.298 0.3
41 23 18 370 0.338 0.4
43 23 20 392 0.389 0.4
47 24 23 417 0.45 0.5
50 24 26 439 0.509 0.6
53 24 29 457 0.557 0.6
56 24 32 485 0.628 0.7
60 25 35 505 0.688 0.7
63 25 38 524 0.739 0.8
66 25 41 557 0.806 0.8
70 25 45 586 0.901 0.9
72 26 46 604 0.94 1
77 26 51 647 1.04 1.1
81 27 54 685 1.12 1.2
85 27 58 712 1.2 1.2
89 28 61 769 1.31 1.3
93 28 65 795 1.38 1.4
96 29 67 819 1.45 1.5
100 29 71 847 1.52 1.6
104 29 75 876 1.6 1.7
108 30 78 909 1.67 1.7
108 30 78 926 1.77 1.8
112 30 82 965 1.87 1.9
116 30 86 991 1.93 2
120 31 89 1010 2 2
124 31 93 1040 2.04 2.1
135 32 103 1100 2.24 2.3
143 33 110 1160 2.35 2.4
Tabla 21. Resultado prueba dos en termoeléctrico.
68
4.6 Desarrollo cosechador piezoeléctrico.
Para almacenar la energía recolectada por el piezoeléctrico era necesario un sistema
eficiente y con ciertas características, como: entrada de voltaje alterno, rectificadores y
salidas reguladas de corriente directa. Así que se decidió utilizar el integrado LTC3588 de
"Linear Technologies "el cual nos brinda todas las características necesarias. Para la
configuración del circuito requerimos de los siguientes componentes:
• Inductor de lOOµH
• 2 Capacitores de 47µF.
• Capacitor de lµF
• Capacitor de lOµF
• En éste diseño el capacitor de lOµF funciona como medio de almacenamiento para la
energía recolectada. Es posible sustituirlo por un capacitor mayor si la aplicación lo
requiere.
- ---····""'·º"""···--- ....
~TI!F..\Cl
T25V f •J'p'F y .. -...
LllDE' 1/2 f.l\L
--
¡.___.rr,r.n~---vour 41¡E
T íiV --·
Figura 44. Sistema de almacenamiento de energía para dispositivos piezoeléctricos [42].
A su vez se realizó el desarrollo del sistema en una tarjeta de circuito impreso (PCB), para
poder tener un sistema final. Para ello se mandó a realizar las placas en una empresa
mexicana llamada PCB de México.
70
Figura 45. Sistema de almacenamiento termoeléctrico final.
4. 7 Desarrollo del cosechador termoeléctrico.
Una vez ya obtenidos los materiales necesarios se pasó al diseño final para el cosechador
de energía para el sistema termoeléctrico, el cual el núcleo del sistema es el circuito
integrado LTC3108 de "Linear Technologies " para ello requerimos de los siguientes
componentes que son parte del sistema de almacenamiento de energía:
• Transformador con relación de 1 a 100.
• Capacitar de lnF.
• Capacitor de 2.2µF
• Capacitor de 470pF
• Capacitar de 330pF.
• Capacitar de O.lF
El capacitar de O.lF es uno de los elementos más importantes del sistema dado que es el
encargado de cargar energía suficiente para proveerla a dispositivos de bajo consumo y
mantenerlo en operación por lo que es un periodo de tiempo suficiente.
71
Este medio de almacenamiento es ideal para lo que son los dispositivos termoeléctricos
como se mencionó en secciones anteriores. Para ello se requiere de una configuración
específica para poder aprovechar las características del circuito integrado.
TIUfl(flE,:TR C GH.fRATNt
.....
Figura 46. Sistema de almacenamiento de energía para dispositivos termoeléctricos.
A su vez se realizó el desarrollo del sistema en una tarjeta de circuito impreso (PCB), para
poder tener un sistema final. Para ello se mandó a realizar las placas en una empresa
mexicana llamada PCB de México.
Figura 47. Sistema de almacenamiento termoeléctrico final.
72
4.8 Desarrollo módulo de comunicación.
4.8.1 Microcontrolador.
Ya con el módulo RN-42 de Bluetooth, proseguimos a buscar un microcontrolador que
tuviera características eléctricas deseadas para el consumo de energía eléctrica
proporcionada por nuestros medios de almacenamiento. Dentro de nuestra investigación
encontramos un microcontrolador de Texas lnstruments, el modelo de este
microcontrolador es el M430G2553, el cual es un microcontrolador de ultra bajo consumo
y considerado de la familia MSP430, por lo que se requiere de muy poca corriente (hasta
con 4 µA) para poder mantener el microcontrolador en un estado de espera (modo idle),
un voltaje que puede ir desde 1.8V hasta 3.6V. Las características más importantes de este
microcontrolador son:
• Voltaje de alimentación de 1.8 a 3.6V.
• •
• •
•
•
•
•
•
•
•
CPU prendido a 1 Mhz con un consumo de 230µA y 2.2V de alimentación .
Modo de espera (CPU apagado) 0.SµA .
Cinco modos de operación con "Power-saving" .
Microcontrolador de 16 bits RISC.
Reloj interno de hasta 12Mhz .
Dos temporizadores de 16 bits .
Puerto de comunicación Serial.
Puerto de comunicación 12C.
Memoria de 16KB hasta 256 KB de memoria Flash .
Memoria RAM de 512Bytes .
8 Canales de ADC.
Éste microcontrolador tiene las características deseadas para el desarrollo eléctrico,
electrónico y digital de nuestro proyecto, así que optamos por su adquisición, de la misma
73
forma parte de la investigación y toma de decisión para comprarlo fue la documentación
que podemos encontrar en internet acerca de este dispositivo, ya que nos permite
entender y aprender de manera más rápida (3 semanas) las necesidades básicas, como;
manejo de pines de propósito general, uso de temporizadores junto con interrupciones,
uso del USART (comunicación por puerto serial), modos de bajo consumo y funciones de
los relojes principales para prender el CPU.
Un factor importante que nos llevó a la adquisición de este microcontrolador también fue
que cuenta con una mini tarjeta de desarrollo, por lo que podemos hacer pruebas
preliminares con esa tarjeta, además de que su programación (del microcontrolador)
también se hace mediante la tarjeta de desarrollo, así finalmente como un consumo de
corriente muy pequeños, se puede mantener en un estado de espera con una corriente de
4µA con un voltaje de 3V.
La programación de este M430G2553 se realizó mediante Code Composer Studio vS, que
es de Texas lnstruments, el cual es un software libre con ciertas restricciones de
programación dado que solamente se puede programar hasta 4 KB, para poder tener un
espacio de programación más amplio se requiere de la licencia, sin embargo para el
desarrollo de este proyecto no requerimos de más de espacio.
Figura 48. Microcontrolador con tarjeta de desarrollo. [37]
74
Durante esta etapa del proyecto el consumo de corriente es crítico por las características
que tienen nuestros cosechadores de energía. Una vez con el microcontrolador en
nuestras manos comenzamos a estudiar la programación básica para poder hacer arrancar
los relojes que hacen que el sistema funcione, así como la manipulación de puertos.
Una vez ya manipulado el hardware y el software pasamos a acoplar nuestro
microcontrolador M430G2553 con el sistema de almacenamiento de energía, para el cual
logramos mantener alimentado el sistema con una pequeña aplicación, en la cual
prendimos un led por unos instantes de tiempo usando el sistema de timers del
M430G2553.
Con esta prueba logramos ver que mientras el led se tiene mantiene apagado el consumo
de corriente del microcontrolador a 3v es de 0.2mA. Cuando el Jed se prende por unos
segundos el consumo de corriente aumenta considerablemente a 2.3mA. Este aumento
en la corriente hace que el sistema de cosecha descargue de manera paulatina sus
capacitores auxiliares para mantener al sistema prendido, mientras que cuando tenemos
un consumo de corriente muy bajo (en términos de µA) el cosechado mantiene su carga y
es capaz de poder cargar su capacitor auxiliar. Cabe destacar que estas pruebas que se
realizaron fueron utilizando el cristal interno del sistema, el cual nos permitía tener el
consumo de corriente más bajo, pero la precisión en los "timers" no era la mejor. Una
aplicación que requiere de cierta precisión necesita utilizar relojes externos.
Posteriormente realizamos pruebas más enfocadas al proyecto, para lo que se programó
utilizando el cristal externo que se le puede colocar al sistema mínimo de nuestro
microcontrolador; Ese sistema mínimo es el que nos permite poder poner en operación el
microcontrolador; El sistema mínimo para el microcontrolador consta de:
75
• Reloj Externo (si es requerido).
• Un sistema de "Reset" para el microcontrolador.
• Alimentación del sistema.
La aplicación principal del microcontrolador es adquirir datos, ya sea por sensores
externos o internos por medio de un ADC (con el cual ya cuenta el microcontrolador), para
esta información poder ser procesada y posteriormente ser transmitida por puerto serial
al módulo de comunicación inalámbrico.
Por la precisión que requerimos para la adquisición de datos, así como su procesamiento y
transmisión por UART, colocamos un cristal de 32.768Khz el cual nos permite hacer
aplicaciones como: un reloj. El ADC que tiene el sistema hace que se tenga también un
consumo de corriente ya que la adquisición de datos conlleva un tiempo de muestreo
seguido para la obtención de la variable analógica y pasar esa variable a un dato digital. La
corriente de consumo del convertidor analógico digital es de 0.GmA a un voltaje de 3V con
un tiempo de adquisición de datos de 400n5. Toda esta información y configuración nos
sirvió para poder tener el mayor tiempo posible en un estado de bajo consumo del
microcontrolador.
4.8.2 Bluetooth.
A la vez que el microcontrolador fue programado, se requirió hacer la programación y
administración de lo que es el modulo Bluetooth, para ello requerimos saber los aspectos
básicos y más destacados de lo que se podía hacer con el Bluetooth, para ello debemos
saber que el módulo de Bluetooth es capaz de poder transmitir con tecnologías anteriores
como 1.1, 1.2 así como las más comunes que son 2.0 y 2.1. Como se ha mencionado en
secciones anteriores el consumo de corriente para el desarrollo del proyecto es esencial,
por lo que debemos de considerar un consumo de corriente de hasta 30mA durante la
transmisión y recepción, y 3mA durante un estado conectado.
76
El modulo Bluetooth tiene diferentes tipos de configuraciones, ya que este puede tener
una función de "master o slave". El primer modo (maestro) es el que se encarga de poder
entablar una conexión o mejor dicho el maestro es el que quiere establecer la conexión
con otro dispositivo, por lo general en este modo el dispositivo maestro no es descubrible
por otros dispositivos y por lo tanto no es posible que un dispositivo quiera o pueda tener
conexión con el dispositivo maestro. El modo esclavo es un modo donde el dispositivo
puede ser encontrado y establece una conexión con otros dispositivos.
Nuestro modulo Bluetooth es capaz de ser programado en cuatro diferentes modos de
maestro, dependiendo del requerimiento y uso del dispositivo. Estos modos son:
• Master Mode (SM,1} .- Este modo es el más útil cuando queremos que el modulo
inicie la conexión sin recibir dato alguno, en este modo el dispositivo no puede ser
descubrible y no se puede establecer una conexión por parte de otro dispositivo.
• Trigger Master Mode (SM,2).- En este modo el dispositivo automáticamente inicia
la conexión, para ello se necesita que se tenga guardada en la memoria del
dispositivo una dirección MAC de un dispositivo Bluetooth en modo esclavo.
• Auto-Connect Master Mode(SM,3).- Este modo debe de ser configurado por
comando, para ello se requiere de una configuración de arranque en el hardware
del dispositivo. El principio es parecido al Trigger Master Mode dado que se
requiere tener una dirección MAC previamente almacenada.
• Auto Connect (DTR Mode) (SM,4). Este modo es igual al anterior solamente que
para la conexión y desconexión del dispositivo se realiza por medio de un switch
externo.
77
Lo que utilizamos para el desarrollo del proyecto fue el Trigger Master Mode, dado que
ese modo nos permite la conexión con un esclavo y dado que el microcontrolador es el
que debe establecer los tiempos de conexión y desconexión, necesitamos que el modulo
Bluetooth sea el encargado de poder transmitir la información obtenida por el
microcontrolador, para ello a la vez contamos con un módulo Bluetooth esclavo el cual es
un módulo incorporado a un equipo portátil Laptop.
Para poder hacer validas estas funciones del módulo RN-42, necesitamos uno de dos
elementos, los cuales pueden ser un módulo Bluetooth de un equipo laptop, o un
conector MAX232 para poder hacer la conexión por puerto serial con el RN-42. Dado que
se necesita entrar a la consola integrada en el módulo Bluetooth.
El RN-42 cuenta con una configuración predeterminada de:
• Baud Rate 115,200.
• 8bits.
• Sin paridad.
• Un bit de stop.
• Control de flujo habilitad.
Para entrar a la consola de configuración usando el MAX232, necesitamos contar con un
software en el equipo de cómputo de estilo terminal para hacer conexiones seriales, en
este caso utilizamos HyperTerminal Prívate Edition, la cual nos permite poner la
configuración del dispositivo como la predeterminada del RN-42, para establecer conexión
con él. Para saber que puerto de comunicación utiliza la computadora con el cable usb
serial (requerido para conectar con el MAX232) solamente insertamos el cable en un
puerto USB y se instala el driver en automático, y la computadora nos indica que COM es
el asignado para ese cable.
78
1 2 3 4
Figura 50. Explicación y funcionamiento del módulo de conexión.
1 Pines de alimentación. La "v" representa la entrada del voltaje.
2 LED confirmación de encendido del sistema.
3 Habilitación del LEO. Es necesario el uso de un "jumper'' para habilitar el LED.
4 Microcontrolador. Es posible su extracción para programación.
5 Botón de reinicio para el microcontrolador.
6 Botón para dar formato de fábrica al módulo Bluetooth
7 Habilitación de la recepción de datos en el Bluetooth. Es necesario el uso de un
"jumper'' para su habilitación
5
6
8 Habilitación para la transmisión de datos desde el Bluetooth. Es necesario el uso de un
"jumper'' para su habilitación
9 Sistema de control (apagado y encendido del Bluetooth). Es necesario el uso de un
"jumper'' para su habilitación
80
10 Explicación de cada pin siendo el señalado por el número diez el primero como está
marcado en la placa.
10.1 Sensor de continuidad uno.
10.2 Sensor de continuidad dos.
10.3 Habilitación general del sistema.
10.4 Tierra.
10.5 Tierra.
11 Habilitación para la recepción de datos en el microcontrolador. Es necesario el uso de
un "jumper" para su habilitación.
4.9 Acoplamiento de los sistemas.
La última etapa de nuestro proyecto se basa en lo que es el acoplamiento entre los
sistemas de microgeneración de energía, almacenamiento de energía eléctrica, el
microcontrolador y el sistema de comunicación inalámbrico.
Con nuestro sistema de almacenamiento termoeléctrico se realizó un mayor número de
pruebas dado que era el más eficiente y robusto a comparación del sistema de
almacenamiento del piezoeléctrico. Durante las pruebas realizadas alimentamos los
sistemas por separado con lo que es el medio de almacenamiento termoeléctrico. Donde
observamos que nuestro sistema termoeléctrico (microgenerador y cosechador) fue capaz
de alimentar nuestro microcontrolador de ultra bajo consumo, para ello se programó una
rutina que midiera continuidad para mandar un dato por puerto serial.
El consumo energético del microcontrolador con el sistema termoeléctrico fue de 200µA
sin que el capacitar de reserva {0.lF) de energía llegara a descargarse (caso en que la
fuente de energía fuera constante), posteriormente se cortó la fuente de energía y se
logró mantener el sistema funcionando alrededor de 15 minutos.
81
Número de Voltaje de Voltaje en el Tiempo de
prueba fuente de capacitar (V) Operación del
energía (V) MCU (min)
1 0.58 3.61 Indefinido
2 O.SS 3.63 Indefinido
3 0.52 3.62 Indefinido
4 0.56 3.59 Indefinido
5 0.52 3.62 Indefinido
Tabla 22. Prueba 1 del sistema completo y con suministro energético; El sistema funciona
indefinidamente mientras se tenga un suministro energético.
Número de Voltaje de Voltaje en el Tiempo de Tiempo de
prueba fuente de capacitar (V) Operación del descarga del
energía (V) MCU (min) capacitar (min)
1 o 3.61 14.5 18.1
2 o 3.63 16.1 18.2
3 o 3.62 14.9 17.5
4 o 3.59 15.7 17.9
5 o 3.62 15.2 18.0
Tabla 23. Prueba 1 del sistema completo, cortando suministro energético
En la última tabla podeos observar que el tiempo de operación es diferente al tiempo de
descarga del capacitar dado que el microcontrolador tiene un voltaje umbral para su
funcionamiento {1.8V) por debajo de ese umbral el MCU no puede seguir funcionando sin
embargo tiene un consumo de corriente el cual hace que el capacitar se descargue por
completo. A comparación de la primera tabla donde el tiempo de operación del MCU y el
tiempo de descarga del capacitar son indefinidos dado que se tiene una fuente constate
de energía.
82
Posterior a estas pruebas conectamos el módulo Bluetooth e inmediatamente
observamos que no es posible alimentar el dispositivo con lo que es el cosechador de
energía dado su alta demanda de corriente, aun configurando el dispositivo RN-42 en un
modo "sleep".
El consumo del sistema es de 2mA en modo "sleep", cuando se trata de establecer una
conexión entre lo que es el transmisor y el receptor (cualquier otro dispositivo Bluetooth)
existe una variación de 25 a 40mA. Esta variación es por el tiempo en que el dispositivo
busca y se conecta al receptor. Cuando se logra establecer una conexión se tiene un
consumo constante de 35mA. Por lo que no es posible con el puro cosechador de energía
alimentar todo el sistema.
Haciendo pruebas con una fuente de voltaje para determinar el consumo total de todo el
sistema observamos que tampoco es posible hacer una conexión directa entre lo que es el
microcontrolador y el módulo Bluetooth por las diferencias en las corrientes de consumo
de los dispositivos, por lo que requerimos de una etapa de acoplamiento y "buffereo" de
las señales a transmitir, utilizamos un circuito integrado "TTL", del tipo "LS" (Low Power
Schottky) para que el consumo no fuera elevado.
Una vez acoplado todo el sistema y funcionando, realizamos la medición del consumo de
corriente de todo el sistema de control y transmisión, por lo que obtuvimos la siguiente
tabla:
Modo de Operación del Bluetooth Consumo de corriente.
(con el programa del
microcontrolador ejecutándose)
Sleep 2.lOmA
Estableciendo conexión 25-40mA
Conectado al receptor 35mA
Tabla 24. Consumos de corriente en el sistema.
83
Para solucionar la problemática al consumo energético de la etapa de acoplamiento y el
módulo Bluetooth, cargamos con nuestro medio de almacenamiento una batería de 3.6V
con una capacidad de 60mAhr. Dentro de la experimentación pudimos de manera
satisfactoria, alimentar lo que es nuestro MCU y al mismo tiempo cosechar una batería,
sin embargo el tiempo de recarga de la batería era más prolongado por el consumo del
microcontrolador a pesar de que este es de ultra bajo consumo, por lo que cargamos la
batería de manera independiente con lo que es el sistema de almacenamiento sin
alimentar el MCU.
Para ello obtuvimos la siguiente tabla:
Voltaje Cosechador (V) Carga Inicial (V) Tiempo (hr.min) Carga (V)
5 o 4 3.01
5 o 4 2.98
5 o 4 2.99
5 o 4 3.01
5 o 4 3.18
5 o 4 3.1
5 o 4 2.9
5 o 4 3.22
5 o 4 3.05
5 o 4 3.11
Tabla 25. Tiempos, voltajes y corrientes durante pruebas en batería.
84
Corriente (µA)
99
103
103
105
107
108
110
110
111
119
Capítulo 5: Análisis de resultados y conclusión final.
Durante todo el año se realizaron pruebas más exhaustivas que en el proyecto previo. Ya
que trabajamos con los dos microgeneradores de energía, y además realizamos el diseño y
desarrollo de los nuevos cosechadores de energía.
Se implementó un módulo de transmisión inalámbrico Bluetooth para que la aplicación
final fuera compatible con los dispositivos que actualmente podemos encontrar en el
mercado como lo son los smartphones computadoras e incluso tabletas.
El cosechamiento de energía es posible y tiene gran potencial para la industria. Sin
embargo sus aplicaciones son para dispositivos puramente de ultra bajo consumo
energético, por lo que no nos fue posible poder alimentar todo un sistema de
comunicación inalámbrico con el puro cosechador de energía, sin embargo tuvimos un
muy buen acercamiento a lo que es la alimentación de un sistema con un consumo de
energía más elevado a comparación de lo que son los dispositivos de bajo consumo, dado
que logramos cosechar una batería que nos permitía alimentar nuestro modulo Bluetooth.
Los tiempos de carga a pesar de ser prolongados (3-4 horas) se pueden considerar
suficientes para poder lograr una transmisión que no tiene que ser en lapsos de tiempo
cortos.
Este proyecto tiene la potencialidad de seguir adelante para la aplicación de sistemas de
bajo consumo de comunicación inalámbrica como lo que son los sistemas "BLE"
(Bluetooth Low Energy), ya que estos sistemas tienen embebido el microcontrolador y a
comparación de lo que es el Bluetooth 2.1 puede transmitir con una corriente de consumo
de 24mA y estar dormido con un consumo de corriente de 0.4µA (dependiendo del modo
en que este se encuentre).
El cosechamiento de energía nos permitió poder mantener un sistema de nueva
generación como lo que son los microcontroladores "Ultra Low Power" los cuales
aprovecha el potencial de los cosechadores de energía que creamos.
85
Cabe destacar que el sistema que mejor manejamos durante todo el desarrollo de este
proyecto de energía fue el sistema termoeléctrico. El sistema piezoeléctrico también
función de manera correcta y eficiente para alimentar el sistema de control y cosechar la
batería, sin embargo era más fácil realizar pruebas con el sistema termoeléctrico y fue el
primero que realizamos para darle continuidad al trabajo del ingeniero Javier Hernández.
Los resultados arrojados por cualquier sistema nos muestran que es posible crear un
sistema autónomo de transmisión de datos, sin embargo con el surgimiento de las nuevas
tecnologías, será más fácil e incluso habrá una mejor compatibilidad entre los
microgeneradores de baja potencia con los dispositivos electrónicos de ultra bajo
consumo energético.
86
ANEXOS.
ANEXO A.
Maquinas Eléctricas
Las maquinas eléctricas son aquellos dispositivos que se encargan de convertir energía
eléctrica en energía mecánica, y viceversa. Según como se utilicen se pueden llamar
generadores o motores. Cuando estos dispositivos son utilizados para convertir energía
mecánica en energía eléctrica se le denomina generador; cuando el dispositivo se encarga
de convertir energía eléctrica en energía mecánica, se le llama motor.
Los motores y generadores eléctricos son muy comunes dadas sus múltiples ventajas, la
energía eléctrica es una fuente de energía limpia y bastante eficiente, su control es fácil
de ejecutar, y gracias a los transformadores es posible transmitirla a lo largo de grandes
distancias. Además, a diferencia de los motores de combustión interna, los motores
eléctricos requieren de poca ventilación dependiendo de sus características, lo que los
vuelve deseables en ambientes cerrados y en donde no son deseables los residuos
contaminantes de la combustión.
Una maquina eléctrica sencilla está formada por un gran magneto estacionario y fijo que
produce un campo magnético constante y uniforme, y además, una espira de alambre
conductor que rota dentro del campo generado. A la parte de la máquina que rota se le
llama rotor, y a la parte de la máquina que se encuentra estacionaria se le llama estator.
El magnetismo tiene un papel fundamental en el estudio y diseño de las máquinas
eléctricas. A través del magnetismo es posible convertir:
• Energía eléctrica en mecánica (motores).
• Energía mecánica en eléctrica (generadores).
87
Existen tres principios físicos que describen y permiten conocer cómo se usa el
magnetismo en estos equipos:
• Un conductor por el que pasa corriente, genera un campo magnético a su
alrededor.
• Un conductor por el que pasa corriente experimenta una fuerza sobre él si se
encuentra en presencia de un campo magnético (motor).
• Un conductor que se mueve en presencia de un campo magnético genera un
voltaje inducido en sus terminales (generador).
Motores y Generadores Síncronos
Un generador síncrono es un dispositivo que convierte potencia mecánica de un motor
primario en potencia eléctrica de corriente alterna, de voltaje y frecuencia específica. Se
les llama generadores síncronos debido a que la frecuencia eléctrica de la máquina está
sincronizada con su tasa mecánica de rotación del eje. Dado que estos generadores tienen
una velocidad de rotación constante es que suelen utilizarse para producir la gran mayoría
de la potencia eléctrica consumida en el mundo. El voltaje interno generado en esta
máquina depende de la velocidad de rotación del eje y de la magnitud del flujo de campo.
Otra característica de los generadores y motores síncronos es que su corriente de campo
magnético es suministrada por una fuente de DC separada o por un imán permanente.
El rotor de un generador síncrono está formado por un electroimán al cual se le suministra
corriente de DC. El campo magnético del rotor apunta en la dirección a la cual gira el
rotor. La relación entre la tasa de giro del campo magnético de la máquina y de la
frecuencia eléctrica que se genera está dada por la siguiente ecuación:
nmP fe = 120 [H3]
La frecuencia eléctrica, fe, se expresa como la velocidad mecánica del campo magnético
(nm), por el número de polos (P), entre 120. Bajo estas circunstancias, se sabe que el rotor
gira con la misma velocidad que el campo magnético, y además, la ecuación anterior
88
relaciona la velocidad del rotor con la frecuencia eléctrica resultante. Estas máquinas se
diseñan teniendo en mente que se desea generar una frecuencia eléctrica de 60Hz, lo cual
le exige al generador girar a una velocidad fija.
Se le conocen a los valores nominales como aquellos para los cuales la máquina ha sido
diseñada para operar en estado estable. Estos valores se usan como guía para proteger al
generador del daño que pudiera producirse debido a una operación inadecuada.
Generalmente, los proveedores ofrecen en sus productos los valores nominales típicos de
la maquina en cuestión, estos valores incluyen el voltaje, la frecuencia, la velocidad,
potencia aparente, factor de potencia, corriente de campo, etcétera.
Figura 51. Motor Síncrono. (38)
Los motores síncronos se usan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánica. En
esta máquina eléctrica existen dos campos magnéticos. Existe un campo magnético en el
rotor, y existe un campo magnético en el estator. El campo magnético del rotor tiende a
alinearse con el campo magnético del estator. El movimiento se produce ya que el campo
magnético del estator rota y a su vez el campo magnético del rotor, y por lo tanto el rotor
trata de mantenerse emparejado a él. Mientras mayor sea el ángulo de diferencia entre
ambos campos, mayor será la fuerza que los intentara emparejar, aunque dicho ángulo
tiene un máximo. Ya que un motor síncrono es muy similar en construcción y
componentes a un generador síncrono, todas las ecuaciones que sirven para describir el
comportamiento del generador sirven para describir el comportamiento del motor
89
síncrono. Además, los valores nominales de ambas máquinas son iguales, con la única
diferencia de que el factor de potencia, bajo ciertas circunstancias, puede estar en
adelanto, en lugar de atraso.
Un motor síncrono no tiene par de arranque neto, por lo que no le es posible arrancar por
sí mismo, para sortear esta complicación existen tres técnicas para arrancar el motor:
1. Es posible reducir la frecuencia del estator a un nivel de arranque seguro.
2. Se puede utilizar un motor externo.
3. Se pueden conseguir ciertos devanados de amortiguación en el motor para
acelerarlo hasta una velocidad que sea bastante cercana a la velocidad de
sincronía antes de empezar a aplicar una corriente de corriente directa a los
devanados.
Motores de Inducción.
Un motor síncrono necesita de devanados de amortiguación para generar el par de
arranque sin la necesidad de una fuente externa que provea de una corriente de campo
externa. Con esta idea en mente, es posible construir un motor que solo use los
devanados de amortiguación, a este tipo de máquinas se les conoce como máquinas de
inducción. En este tipo de máquinas el voltaje del rotor, que a su vez produce la corriente
y el campo magnético del mismo, es inducido en los devanados del rotor en lugar de estar
conectados de forma física. La característica principal de este tipo de máquinas es que no
requieren de una corriente de campo de DC para que la máquina entre en operación.
Las máquinas de inducción se utilizan mayormente como motores, ya que los generadores
de inducción presentan desventajas frente a otro tipo de generadores. Los devanados de
amortiguamientos reciben ese nombre porque reducen las oscilaciones que se producen
en los procesos transitorios de las máquinas, ya sean estos procesos como acoplamiento a
la red eléctrica, vibraciones bruscas de carga eléctrica o mecánica, entre otros. Estos
devanados de amortiguamiento son barras especiales dispuestas en ranuras hechas en la
90
cara del rotor del motor y en cortocircuito en cada extremo con un anillo. A los devanados
de amortiguamiento también se les conoce como devanados de atenuación, ya que el par
inducido por ellos acelera a las maquinas lentas y disminuye la velocidad de las máquinas
rápidas.
,~.ndlo ,l .. ,.,m~ irnuto Jr l.r,. lr.trrJ~
~ ... /
Figura 52. Devanados de Amortiguamiento. [39]
Un motor de inducción puede acelerar hasta llegar cerca de la velocidad síncrona, pero
nunca podrá llegar a ella. Sólo existen dos formas de variar la velocidad síncrona de la
máquina de inducción, cambiando la frecuencia eléctrica o cambiando el número de polos
de la máquina.
Motores de Corriente Directa.
Las máquinas de corriente directa pueden ser utilizadas como motores o generadores
según la dirección del flujo de potencia a través de ella. Existen dos tipos principales de
motores de DC, motores con excitación separada y motores en derivación. Un motor de
DC con excitación separada es un motor cuyo circuito de campo es alimentado por una
fuente de potencia separada y de voltaje constante. Un motor de DC en derivación es
aquel cuyo circuito de campo obtiene su potencia directamente de las terminales del
inducido.
91
Polo inductor
s
if
®> •0
J Escobílla ... - ...
Ese"obilla.._..__ 1
Polo inductor
N
Figura 53. Motor de corriente directa. [40]
Para controlar la velocidad de este tipo de motores existen tres diferentes técnicas que se
pueden utilizar, se puede ajustar la resistencia de campo RF, ajustando el voltaje en las
terminales aplicado a la armadura, o insertando una resistencia en serie con el circuito de
la armadura. De estos métodos, los más comunes suelen ser la variación de la resistencia
de campo y la variación de voltaje debido a que tienen diferentes rangos seguros de
operación. Las técnicas de regulación de resistencia de campo y control de voltaje de
armadura son complementarias. A continuación se muestra una breve tabla que explica
las ventajas y desventajas de dichos métodos.
92
Cambio de la R de campo Cambio del V en el inducido
Bueno para velocidades por encima de la Es bueno para regular velocidades menores
nominal. a la nominal.
Velocidades menores se requiere una Velocidades mayores se requiere voltaje
corriente excesiva de campo: quemar los excesivo: daña el circuito.
devanados.
Tabla 1. Ventajas y desventajas de regulación de resistencia de campo y control de voltaje
de armadura
la
Vg1-==-Ea
Figura 54. Circuito equivalente de un motor de DC [41]
La siguiente tabla muestra los diferentes tipos de motores y menciona algunas de sus
diferentes ventajas y desventajas.
93
Motores
Derivación
Imán
Permanente
Ventajas
• Alimentación con
voltaje
independiente.
• No se desboca en
vacío.
• No sufren pérdidas
por cobre.
• Para aplicaciones con
Desventajas
• Al cambiar el voltaje
alimentación cambia la curva de
par contra velocidad (no lineal).
• Flujo pequeño en comparación
con los de derivación.
• Desmagnetización por
caballaje fracciona l. calentamientos y corriente.
En Serie
Compuesto
• Produce más par por
Amper que otros.
• Fácil control
velocidad.
• Muy
actualmente.
de
usados
• No se desboca en
vacío.
• Comportamiento de
derivación a cargas
chicas y de serie en
cargas grandes.
• Costo elevado de imanes.
• Característica par velocidad con
caída pronunciada.
• Se desboca con cargas bajas.
• El motor compuesto es muy
inestable.
Tabla 2. Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de motores
Referencia [E] para la información mostrada.
94
ANEXO B.
Detalles del piezoeléctrico.
• Piezoeléctrico.
Para conocer un poco más de lo que es el funcionamiento del sistema piezoeléctrico, es
necesario hacer un análisis matemático, por lo que requerimos tener el modelo
matemático/eléctrico que describa la operación de un dispositivo piezoeléctrico. Para ello
nos referimos a un modelo de un circuito eléctrico RLC. Cabe mencionar y recordar que el
dispositivo piezoeléctrico es un transductor que convierte la energía mecánica en eléctrica
y viceversa.
Dado el funcionamiento de la red cristalina que presentan los dispositivos piezoeléctricos,
las tensiones internas dentro de esta red tienen una aproximación lineal con lo que es el
campo eléctrico.
E= d ·E
Dónde:
• E son las deformaciones de la red.
• d es el tensor piezoeléctrico.
• E es el campo eléctrico.
La linealidad de que existe entre la deformación y el campo eléctrico hace que exista una
linealidad en la frecuencia por lo que la frecuencia del campo eléctrico es la misma a la
que se deforma el piezoeléctrico.
Una de las características es que la amplitud del piezoeléctrico es máxima cuando la
frecuencia del campo eléctrico (E) tiene ciertos valores, a estos valores se les conoce como
frecuencias de resonancia.
De estas consideraciones podemos obtener una ecuación que describe al sistema cuando
se encuentra vibrando dada una fuerza externa dependiente del tiempo.
95
d2x dx m dtz + b dt + kx = F(t)
Donde m es la masa del dispositivo, b es el amortiguamiento y k es la constante de
elasticidad del materia con el que el dispositivo está hecho. Esta ecuación se puede
interpolar a lo que es un circuito eléctrico RLC, donde m=L (inductancia), b=R (Resistencia)
y K= C (Capacitancia).
Imagen 55. Circuito Equivalente para un dispositivo Piezoeléctrico.
Dado el circuito equivalente podemos obtener la ecuación:
di 1 V = L dt + Ri +-¡; J idt
Sin embargo este modelo no es suficiente dado que el sistema real posee una capacitancia
más que está en las terminales de los dispositivos piezoeléctricos, una de las propiedades
de esta capacitancia es que es mucho mayor que la que se presenta en el módulo ideal del
dispositivo piezoeléctrico. Al existir una fuente dinámica como lo son las vibraciones la
diferencia de potencial a la salida es constante.
Dada la primera ecuación en esta sección y con su representación eléctrica se puede
obtener la función de transferencia utilizando la transformada de La place con condiciones
iniciales en cero:
F(s) = Ls2I(s) + Rsl(s) + CJ(s)
96
Por lo tanto obtenemos:
l(s) 1 =----
F ( S) Ls 2 + R S + C
97
ANEXO C.
Código del microcontrolador.
/* • Puerto 1
• Puerto 2
.,
pin5 On/Off low-->high
pin O, 1, 2 Contador de mojadas high-->low
pin3 Control
#include <msp430.h>
//REDEFINIR RELOJES (HACER POR DEFECTO) #ifndef TIMER0_A 1_VECTOR #define TIMER0_A1_VECTOR TIMERA1_VECTOR #define TIMER0_A0_ VECTOR TIMERA0_ VECTOR #endif
//DECLARACION DE FUNCIONES void IO_setup(void); void UART_setup(void); void Timer_setup(void); void lnterr_setup(void);
//DECLARACION DE VARIABLES long contador = O; //CONTADOR GLOBAL int mojadas= O; //# DE VECES LAVADA int esperaBT = O; //ESPERAR LA ESTABILIZACION DEL BT int interGpio = O; //BANDERA EVITA MAS DE DOS MOJADAS POR DIA int contadorGpio = O; //CONTADOR DE MAS DE DOS MOJADAS POR DIA
r*'**rrHt-t~*'*"'''',,,'',',,,,,' '' ...... , ,, , ''',', ,, '.L*'**********************'', , .. '', '''* .. ,, '*'***'***"*"*'* .. *"************ ............... Main .................. ,,,,,,,,,,,,,,,, .. ,,,,,,,,,,,,,, .................... ,
void main(){
}
//DECLARACION DE RELOJES WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; BCSCTL3I= LFXT1S_0 + XCAP _3; BCSCTL2 1= SELM_3; BCSCTL1 = DIVA_1;
//INICIALIZACION DE FUNCIONES IO_setup();
UART_setup(); lnterr_setup();
//HABILITAR INTERRUPCIONES _bis_SR_register(GIE);
//CICLO INFINITO while (1);
//UTILIZAR 32.768KHz EN CRISTAL EXTERNO //DCO PARA MCLK //DIVIDE RELOJ PRINCIPAL ENTRE 2
¡11:t11,,,,.,1,,,,,u,,1,,u.1,,,,,,,,,u,,a,,,,,.,1,1t1&:&1,u:1,1,,,,.1,u.1,u,,,,,,,,,,,,,,,,,.1:1,u:1:1:,,,,u
'''*''*''''*"''''"'"'' ............... lnterrupcion de puertos ,,,uuu,u,,u,,uu:111uuu1u1¡
/NECTOR INTERRUPCION PUERTO 1 #pragma vector=PORT1_VECTOR _interrupt void Port_ 1 (void){
}
Timer_setup(); P1OUT "= BIT6;
P1IE = O;
//HABILITAR TIMERS
//CANCELAR INTERRUPCIONES PARA PUERTO 1
98
/NECTOR INTERRUPCION PUERTO 2 #pragma vector=PORT2_VECTOR _interrupt void Port_2(void){
AQUI }
P2IE = O; P1OUT "= BITO; mojadas++; interGpio = 1;
//DESHABILITAR INTERRUPCION
//AUMENTAR CONTADOR DE MOJADAS //BANDERA EN 1 ESPERARA UN DIA PARA VOLVER A ENTRAR
rtt+'*~*'*'***********************'*"'''''''''''''.L'*'******'*"*'*'*'*'*'**"*''*'* ....................... *******'**** ----------Interrupcion de timer ·----------·¡
#pragma vector=TIMER0_A0_ VECTOR _interrupt void Timer_A (void){
int imprimir = O; contador++;
TIEMPO (CADA 2 SEGUNDOS)
if (contador== 10){ (20SEGUNDOS)
P2OUT = BIT3; P2IE = O;
if (contador> 12){ esperaBT ++;
CONECCION DEL BT if(esperaBT < 4){
DESPUES DEL DATO
/NARIABLE LOCAL PARA MANDAR DATO //AUMENTA CONTADOR DE
//TIEMPO DEL CONTADOR EN SEGUNDOS
//PRENDE PUERTO DE CONTROL //DESHABILITA INTERRUPCIONES
//20S DIAS MAS 4 SEGUNDOS //ESPERAR 8 SEGUNDOS LA
//PARA QUE NO VULEVA A IMPRIMIR EL''*"
while (!(IFG2&UCA0TXIFG));/NERIFICA EL BUFFER DE TX UCA0TXBUF = '*'; //TX "*" PARA VERIFICAR CONECCION
if (esperaBT == 5){ imprimir= mojadas/10;
PRIMER DIGITO
//EL BT ESTA LISTO PARA TX //DIVIDE EL VALOR ENTRE 10 PARA SOLO TX EL
while (!(IFG2&UCA0TXIFG)); /NERIFICA EL BUFFER DE TX switch(imprimir){ //BUSCA EL DIGITO Y TX
case O: UCA0TXBUF = 'O'; break;
case 1: UCA0TXBUF = '1'; break;
case 2: UCA0TXBUF = '2'; break;
case 3: UCA0TXBUF = '3'; break;
case 4: UCA0TXBUF = '4'; break;
case 5: UCA0TXBUF = '5'; break;
case 6: UCA0TXBUF = '6'; break;
case 7: UCA0TXBUF = '7'; break;
99
DIGITO
};
case 8: UCAOTXBUF = '8'; break;
case 9: UCAOTXBUF = '9'; break;
if (esperaBT == 6){
}
imprimir= mojadas%10;
while (!(IFG2&UCAOTXIFG)); switch(imprimir){
};
case O: UCAOTXBUF = 'O'; break;
case 1: UCAOTXBUF = '1'; break;
case 2: UCAOTXBUF = '2'; break;
case 3: UCAOTXBUF = '3'; break;
case 4: UCAOTXBUF = '4'; break;
case 5: UCAOTXBUF = '5'; break;
case 6: UCAOTXBUF = '6'; break;
case 7: UCAOTXBUF = '7'; break;
case 8: UCAOTXBUF = '8'; break;
case 9: UCAOTXBUF = '9'; break;
if (esperaBT > 6){ contador = O; esperaBT = O; P2OUT= O; P2IFG = O;
PUERTO 1
//1 SEGUNDO DESPUES TX SEGUNDO DIGITIO //SACA EL MODULA PARA TENER EL SEGUNDO
/NERIFICA EL BUFFER DE TX //BUSCA EL DIGITO Y TX
//TIEMPO QUE DURA CONECTADO //BORRAR CONTADOR PRINCIPAL //BORRAR CONADOR DE ESPERA DE BT
//PUERTO 2 ES CERO //BORRA BANDERA INTERRUPCION
P2OUT = BITO +BIT2 +BIT1; //PRENDE BITS DEL PUERTO 2 P2IE = BITO +BIT2 +BIT1; //HABILITA INTERRUPCIONES EN PINES DEL PUERTO 2
}
if (interGpio == 1 ){ BANDERA
//BLOQUEA INTERRUPCION DE PUERTO 2 NO BORRANDO LA
100
contadorGpio++; if(contadorGpio == 5){
INTERRUPCIONES P2OUT = BITO +BIT2 +BIT1; P2IE = BITO +BIT2 +BIT1; P2IFG = O;
INTERRUPCION Y BORRA BANDERA interGpio = O; contadorGpio = O;
} }
1/ESPERA 10 SEGUNDOS EN HABILITAR LAS
1/PRENDE PINES, HABILITA
1/BORRA BANDERA DE BLOQUEO 1/BORRA CONTADOR DE BLOQUEO
r ,, ,, , , .. , •• , ,, , , ,, •• , , , ,, ... , ,, ,, ,, , , , , , ,, ....... .1., .... ,,, •• , , • , •• '''*********'., •• ,, ,, , , , , , , • ,, ,, • *'*"**'*'*'*"*******'*'*****~***"**1/O_Setup '*'''''''''''''''''' .... *'******'*'*'**'''*'*'*'''''''/ void IO_setup(){
P2DIR = BIT3; CONTROL COMO SALIDA
P1DIR =BITO+ BIT6;
//PIN DE
P1REN = BIT3 +BIT4 +BITS +BIT7; 1/HABILITAR PINES COMO PULL-OP/DOWN
P2REN = BITO+ BIT1 + BIT2+BIT4 +BITS; P1OUT= O; //PUERTO 1 EN CERO P2OUT = BIT2 + BITO + BIT1;
PRENDE LOS PINES DE INTERRUPCION
}
P1SEL = BIT1 + BIT2; P1SEL2 = BIT1 + BIT2;
// P1.1 = RXD, P1.2=TXD 1/ P1.1 = RXD, P1.2=TXD
, ........................ ,, ........ ,,,,.,., ••••• , ........... , .......................................... **"*'*'**'*'*
'* * ''' *' *' ''' * ** •• ,,.,,, ~ ........... ****I nter _ Setup ...,,, '••'' '* *'*'''',u,''''*'''''''''••'•*' '' Jr+IJ+*/ void lnterr_setup(){
//PUERTO DOS
//Interrupciones puerto 1 P1IE = BITS; P1IES= O;
//HABILITAR INTERRUPCIONES PARA EL PUERTO 1 //INDICAR EL FLANCO PARA LA INTERRUPCION
(LOW TO HIGH) //Interrupciones puerto 2 P2IES= BITO +BIT2 +BIT1; P2IE = BITO +BIT2 +BIT1; //Habilitar interrupciones P2IFG = O;
quedan interrupciones pendientes) }
//INDICAR EL FLANCO PARA LA INTERRUPCION (HIGH TO LOW) 1/HABILITAR INTERRUPCIONES PARA EL PUERTO 2
1/LIMPIAR BANDERA DE INTERRUPCION (no
/*,u'' ••••• ,u' •••• '''' •• '''' ••••••• .L ........... , •• ,, ,u'' ........ , ••••• ''.''************'*'********* ...... u,u,uuuu.1.uuuuu.1. ............... UART_Setup *******º'""*"""'u~**'*'*****',,uuu,uu¡
void UART_setup(){ UCA0CTL 1 = 0xFF; 1/SEGUIR RUTINA DE UART PAG1 DEL ESCRITO UCA0BR0 = 7; // 16384/2400 = 7 UCA0BR1 = O; // SEGUNDO VALOR (NO NECESARIO) UCA0CTL 1 &= UCSSEL_ 1; 1/ FUENTE DE RELOJ SMCLK IE2 I= UCA0RXIE; // HABILITAR INTERRUPCION USCI_A0 RX } r .... ,-,,,,, .. ,,.,,,,,,,,,,,.,,.,, ........ ,.1.,, •• , •••••••••••••••••••••• , •••••••••••••••••••••••
•••••*****•******•**' 1•••
11•
1111•••
1111 Timer_Setup ''''*''' 1111•
11•••••••••••••••••••
111••••**'''''''''/ void Timer_setup(){ CCTL0 = CCIE; CCR0 = 32768; TACTL 1= TASSEL_1 + MC_1; }
1/HABILITAR INTERRUPCION DE TIMER //NUMERO HASTA EL QUE VA A CONTAR
//UTILIZAR ACLK +MODO "UP"
101
Acrónimos.
AC
BLE -
Cm-
DC-
DK
FFT -
Hz-
J -
LDO
LS-
m-
MCU
MDF-
mm-
MVEH-
mW-
PCB -
PGOOD
PVEH-
s-
Corriente alterna
Blue Tooth Low Energy
centímetro
Corriente directa
Development kit
Transformada rápida de Fourier
Hertz
Joule
Low Dropout
Low power schottky
metro
Microcontroller
Tablero de fibra de densidad media
milímetros
Megneto lnductive Vibration Energy Harvester
mili Watts
Printed Circuit Board
Interrupción de que indica un estado aceptable
Piezoelectric Vibration Energy Harvester
segundo
102
TTL- Transistor-transistor logic
UART- Universal Asynchronous Receiver
UVLO- Under Voltage Lockout
Vaux - Voltaje auxiliar
VH- Voltaje alto
VL- Voltaje bajo
Vmax- Voltaje máximo
Vout- Voltaje de salida
Vs - Voltaje de selección
Vstore - Voltaje de almacenamiento
103
Glosario.
Autónoma - Que puede funcionar por sus propios medios.
Boost - Referido a subir el nivel de algo, en este caso con respecto al voltaje
Buck - Referido a bajar el nivel de algo, en este caso es respecto al voltaje
Buffereo - Que se mantiene en un estado de almacenamiento.
Harvester - Referido a la cosecha en este caso es respecto con la energía
Low power - Referido a ser de bajo consumo energetico.
Master - Aplicación que tiene el control sobre otra aplicación.
Microgeneración - Referido a la generacion de energía a baja escala
Pairing -
Piezoeléctrico -
Reset -
Slave -
Sleep -
Termoeléctrico -
Timer-
Trigger -
Establecimiento entre una aplicación y otra similar, requiere de un código
para establecer la conexión.
Transductor o convertidor de energía mecanica a eléctricoa o viceversa
Aplicación que pone en estado inicial un dispositivo.
Aplicación que recibe instrucciones por parte de un master
Cuando una aplicación o sistema se encuentra en estado de hibernacion o
inactivo
Dispositivo de dos semiconductores en la mayoria de los casos tino N y tipo
p
Aplicación de tiempo que puede ser configurable.
Aplicación que en automatico realiza una acción.
104
Bibliografía.
I} Referencias bibliográficas
• Chapman, Stephen J., Maquinas Eléctricas, 3th ed., McGraw-Hill, 2005
• Hernández Javier.Sistema de generación, almacenamiento y aprovechamiento de
micro energía. Tecnológico de Monterrey Campus ciudad de México, 2012.
11} Referencias en línea
• NewScientist, "Micro-generator feed on good vibrations", Will Knight
(4 de Julio de 2007)
http://www.newscientist.com/article/dn12190-microgenerator-feeds-on-good
vibrations.html
• MIDE, Engineering Smart Technologies. (Recuperado el 18 de enero de 2012)
http://www.mide.com/products/volture/volture catalog.php#peh
• MicroStrain (Recuperado el 17 de enero de 2012).
Archivo PDF de MicroStrain.
http://files.microstrain.com/MVEH Datasheet Rev 1.02d.pdf
http://files.microstrain.com/PVEH Datasheet Rev 1.0lf.pdf
• AdvancedCerametricslncorporates, TheHarvesto-11I Power Module
(Recuperado el 20 de enero de 2012)
http://www.advancedcerametrics.com/pdf /ACI%20Harvestor%20III%20Sell%20Sh
eet.pdf
• EnergyHarvestingForum, PiezoElectric (Recuperado el 23 de enero de 2012)
http://www.energyharvesting.net/
• Nolic (Recuperado el 23 de enero de 2012)
http://www.noliac.com/Default.aspx?ID=7779
• Peizo, EnergyHarvesting (Recuperado el 23 de enero de 2012)
http://www.piezo.com/cata1og8.pdf%20files/Cat8.20&21.pdf
• Thermoelectriclntroduction (Recuperado el 20 de enero de 2012)
http://www.mhtl.uwaterloo.ca/TEC master.html
105
• Marlow Industrie, lnc. (Recuperado el 21 de enero de 2012)
http://www.marlow.com/products/thermoelectric-modules/single-stage.html
• Tellurex (Recuperado el 21 de enero de 2012)
http://www.tellurex.com/products/
• PeltierThermoelectricCooler Modules (Recuperado el 20 de enero de 2012)
http://www.tetech.com/Peltier-Thermoelectric-Cooler-Modules.html
• Energía (Recuperado el 20 de Enero de 2012)
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa
• Sensores Inalámbricos: Avances y Aplicaciones en Telemedicina (Recuperado el 20
de Enero de 2012)
http://es.scribd.com/doc/35166626/SENSORES-INALAMBRICOS
• ¿Qué es una red de sensores inalámbricos? (Recuperado el 20 de Enero de 2012)
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/9028
• Tecnologías Inalámbricas (Recuperado el 20 de Enero de 2012)
http://wsnti.com/FAQ.html.
• SparkFun Electronics (Recuperado el 3 de septiembre de 2012)
https://www.sparkfun.com/products/10253
• Texas lnstruments. {Recuperado el 25 de agosto de 2012)
http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/16-
bit msp430/overview.page ?DCMP=MCU other&HQS=msp430
106
Referencias en texto.
1) Bibliografía.
C) Hernández Javier. Sistema de generación, almacenamiento y aprovechamiento de
micro energía. Tecnológico de Monterrey Campus ciudad de México, 2012.
E) Chapman, Stephen J., Maquinas Eléctricas, 3th ed., McGraw-Hill, 2005
11) Referencia en línea.
A) EnergyHarvestingForum, PiezoElectric (Recuperado el 23 de enero de 2012)
http://www.energyharvesting.net/
B) Energía (Recuperado el 20 de Enero de 2012)
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa
D) NewScientist, "Micro-generator feed on good vibrations", Will Knight
(4 de Julio de 2007)
http://www.newscientist.com/article/dn12190-microgenerator-feeds-on-good
vibrations.html
107
Referencia de Imágenes
1: http://zedomax.com/blog/2008/06/04/organic-thin-film-solar-cell-leaves/
2: http://hackbrakadabra.wordpress.com/2010/10/07 /domotica-sensores-inalambricos
de-baja-potencia-pa ra-tu-hoga r /
3: http://www.mide.com/products/vo1ture/v20w.php
4: http://www.quimicaweb.net/grupo trabajo ccnn 2/temal/index.htm
5: http://www.biodisol.com/medio-ambiente/la-importancia-de-las-energias-alternativas
po r-cristia n-frers-en ergia s-re nova bles-ca m bio-cl i matico/
6: http ://sensoresdeproxi mida d.ga leon.com/
7: http://es.scribd.com/doc/35166626/SENSORES-INALAMBRICOS
8: http://wsnti.com/FAQ.html#preguntal
9: http://wsnti.com/FAQ. htm !#pregunta 1
10: Hernández Javier. Sistema de generación, almacenamiento y aprovechamiento de
micro energía
11: Hernández Javier. Sistema de generación, almacenamiento y aprovechamiento de
micro energía
12: http://www.photomobiware.com/tech/technical16.php
13: http://www.mide.com/products/vo1ture/v20w.php
14: http://www.mide.com/products/volture/v25w.php
15 http://www.mide.com/products/vo1ture/v21b/v21b.php
16: http://www.mide.com/products/volture/v21bl.php
17: http://www.mide.com/products/vo1ture/v22b.php
18: http://www.mide.com/products/vo1ture/v22bl.php
19: http://www.advancedcerametrics.com/pages/engineering systems/
20: http://files.microstrain.com/MVEH Datasheet Rev l.02d.pdf
21: http://files.microstrain.com/PVEH Datasheet Rev l.0lf.pdf
22: http://www.noliac.com/Defau1t.aspx?ID=7779
23: http://www.marlow.com/products/thermoelectric-modules/single-stage.html
24: http://www.marlow.com/products/thermoelectric-modules/single-stage.html
108
25: http:ljwww.tetech.com/Peltier-Thermoelectric-Cooler-Modules.html
26: http://www.tetech.com/Peltier-Thermoelectric-Cooler-Modules.html
27: http://www.tellurex.com/products/
28: http://www.em.avnet.com/en-us/design/drc/Pages/Bluegiga-Bluetooth-4.0-single
mode-Development-Kit.aspx
29: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3108fa.pdf
30: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3108fa.pdf
31: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/35881fa.pdf
32: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/35881fa.pdf
33: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/35881fa.pdf
34: http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf /view/206196/ALD/EH300.html
35:http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf /view/206196/ALD/EH300.html
36: http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf /view/206196/ALD/EH300.html
37: http://blog.rafaeltorrales.info/wp-content/uploads/2012/08/MSP-EXP30G2.jpg
38: http://es.scribd.com/doc/51919746/Andres-Monjo-Motor-sincrono
39: http://grupos.emagister.com/imagen/motor de corriente continua/1007-158565
40: http://smartdreams.cl/motor-de-corriente-continua/
41: http://domokyo.com/generador-de-energia-a-traves-del-movimiento/
42: www.linear.com/product/LTC3588-1
109