DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE RESPALDO DE BAJO COSTO CONTRA FALLAS ELCTRICAS PARA UN ENRUTADOR INALMBRICO DE USO DOMSTICO.Autores:Hernn Guillermo Caballero MartnezFreddy Alexander Muoz RamosTrabajo de grado para optar por el ttulo de:Ingeniero ElectrnicoDirector:Giovanni Aldemar Baquero RozoUNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERADEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICABOGOT2.011CONTENIDOPgina Introduccin ...................................................................................................................... 1 Captulo 1: Calidad de energa y alteraciones de la red elctrica ................................ 3 1.1Anomalas en las redes elctricas ............................................................................. 3 1.1.1 Cada momentnea de tensin Sag ........................................................... 3 1.1.2 Elevacin momentnea de tensin Swell ................................................... 4 1.1.3 Interrupciones ............................................................................................... 5 1.2Normatividad referente a la tolerancia que deben tener los equipos electrnicos a las alteraciones de la red elctrica .................................................................................. 6 1.2.1 Curva CBMA ................................................................................................. 6 1.2.2 Curva ITIC ..................................................................................................... 7 1.2.3 Curva SEMI-F47 ............................................................................................ 8 1.3Red elctrica de Bogot ............................................................................................. 9 1.3.1 Reglamentaciones de la calidad del servicio prestado ................................. 9 1.3.2 ndices de la calidad del servicio ................................................................... 10 1.3.3 Anomalas en la red elctrica de Bogot ....................................................... 11 1.3.3.1Interrupciones ................................................................................... 12 1.3.3.2Sag's ................................................................................................. 14 1.3.3.3Armnicos ......................................................................................... 15 Captulo 2: Marco terico referente al diseo del sistemade respaldo .......................... 17 2.1Caractersticas de alimentacin y consumo de potencia de varios enrutadores de uso domstico ................................................................................................................... 17 2.2Caractersticas de las bateras de iones de litio ......................................................... 19 2.2.1 Estructura interna de las bateras de iones de litio ....................................... 20 2.2.2 Mtodo de carga ........................................................................................... 21 2.2.3 Problemas con las bateras de iones de litio ................................................. 22 2.3Cargadores de bateras de iones de litio ................................................................... 23 2.4Fuentes conmutadas .................................................................................................. 23 2.4.1 Reductor de tensin ...................................................................................... 24 2.4.2 Elevador de tensin ....................................................................................... 25 2.5Sistemas de alimentacin ininterrumpida (UPS) ........................................................ 25 2.5.1 Sistemas de alimentacin ininterrumpida Fuera de Lnea (UPS Off-Line) ....26 2.5.2 Sistemas de alimentacin ininterrumpida En Lnea (UPS On-Line) ..............27 Captulo 3: Pruebas de calidad de energa en un enrutador ........................................... 29 3.1Determinacin de los parmetros de alimentacin del enrutador .............................. 29 3.1.1 Caracterizacin del adaptador de corriente .................................................. 30 3.1.2 Caracterizacin del enrutador ....................................................................... 33 3.2Pruebas de interrupciones elctricas ......................................................................... 34 3.2.1 Pruebas de interrupciones despus del adaptador ....................................... 34 3.2.2 Pruebas de interrupciones antes del adaptador ............................................ 36 Captulo 4: Especificacin y diseo del sistema de respaldo .......................................... 41 4.1Topologa ................................................................................................................... 41 4.1.1 Topologa Fuera de Lnea (Off-Line) ............................................................. 41 4.1.2 Topologa En Lnea (On-Line) ....................................................................... 41 4.1.3 Topologa definitiva ....................................................................................... 42 4.2Acumulador de carga ................................................................................................. 43 4.2.1 Solucin por banco de bateras .................................................................... 44 4.2.2 Solucin por elevador de tensin .................................................................. 44 4.2.3 Solucin por supercondensadores ................................................................ 45 4.3Cargador de bateras ................................................................................................. 45 4.3.1 Cargador de bateras con circuito integrado MAX1679 ................................. 45 4.3.2 Cargador de bateras con circuito integrado MCP73113/4 ............................ 46 4.3.3 Cargador de bateras con circuito integrado LTC1731 ................................... 46 4.3.4 Implementacin del cargador de bateras ..................................................... 47 4.3.4.1Seleccin del resistor de ajuste ......................................................... 48 4.3.4.2Seleccin del tiempo de carga mxima ............................................ 48 4.3.4.3Seleccin de la fuente de alimentacin ............................................. 49 4.3.4.4Seleccin del transistor pMOS .......................................................... 49 4.3.4.5Seleccin del termistor ...................................................................... 49 4.3.4.6Seleccin de los condensadores de Bypass ................................. 49 4.4Convertidor reductor 12v5,7v ................................................................................. 50 4.4.1 Diseo y simulacin ...................................................................................... 50 4.4.2 Implementacin del convertidor reductor ...................................................... 54 4.5Convertidor elevador 3,3-4,2v12,5v ....................................................................... 56 4.5.1 Diseo y simulacin ...................................................................................... 56 4.5.2 Implementacin del convertidor elevador ...................................................... 60 4.6Sistema de control ..................................................................................................... 63 4.6.1 Algoritmo de control ...................................................................................... 63 4.6.2 Implementacin del sistema de control ......................................................... 64 Captulo 5: Construccin del sistema de respaldo .......................................................... 67 5.1Circuito impreso ......................................................................................................... 67 5.1.1 Consideraciones iniciales .............................................................................. 67 5.1.1.1Programa de diseo de circuitos impresos ....................................... 67 5.1.1.2Materiales para la construccin del circuito impreso .........................67 5.1.1.3Seleccin del ancho de las pistas ..................................................... 68 5.1.2 Diseo de los circuitos impresos ................................................................... 69 5.1.2.1Tarjeta de potencia ............................................................................ 70 5.1.2.2Tarjeta de control ............................................................................... 71 5.1.3 Construccin de los circuitos impresos ......................................................... 74 5.2Contenedor del sistema de respaldo ......................................................................... 77 5.3Pruebas al sistema de respaldo ensamblado ............................................................ 84 5.3.1 Parmetros de conmutacin ......................................................................... 84 5.3.2 Tiempo de autonoma ................................................................................... 84 5.3.3 Eficiencia ....................................................................................................... 85 5.4Anlisis de costos del sistema de respaldo ............................................................... 86 5.4.1 Fabricacin de una unidad ............................................................................ 5.4.2 Fabricacin de un centenar ........................................................................... 5.4.3 Fabricacin de un millar ................................................................................Conclusiones .....................................................................................................................Agradecimientos ................................................................................................................Bibliografa .........................................................................................................................Anexo 1: Datos DES y FES de la red elctrica de Bogot ................................................ 91Anexo 2: Programa en C del sistema de control ............................................................... 101Anexo 3: Simulaciones del sistema de control .................................................................. 105Anexo 4: Mscaras de los circuitos impresos ....................................................................Anexo 5: Ficha tcnica del sistema de respaldo ...............................................................Anexo 6: Diagrama de bloques del sistema de respaldo ..................................................Anexo 7: Algoritmo de control del sistema de respaldo .....................................................Anexo 8: Esquemtico general del sistema de respaldo ...................................................LISTA DE TABLASPginaCaptulo 1: Calidad de energa y alteraciones de la red elctrica.1.1 IEEE1159. Categorasycaractersticasdefenmenoselectromagnticosensistemasde potencia ..................................................................................................................... 61.2 Ocurrencia de SAG's en Bogot en el ao 2.008 ...................................................... 151.3 Componentes armnicas de la red elctrica de Bogot ............................................ 16Captulo 3: Pruebas de calidad de energa en un enrutador.3.1 Resultados de la prueba de interrupciones despus del adaptador de corriente ...... 353.2 Resultados de la prueba de interrupciones antes del adaptador de corriente ........... 39Captulo 4: Especificacin y diseo del sistema de respaldo.4.1 Opciones de temporizacin del circuito MAX1679 ..................................................... 49LISTA DE ILUSTRACIONESPginaCaptulo 1: Calidad de energa y alteraciones de la red elctrica.1.1 Seal de tensin afectada por un Sag ....................................................................... 31.2 SAG causado por una falla del transformador ........................................................... 41.3 SAG causado por una falla del sistema de subtransmisin ....................................... 41.4 Seal de tensin afectada por un Swell ..................................................................... 51.5 Curva CBEMA ........................................................................................................... 71.6 Curva ITIC ................................................................................................................. 81.7 Curva SEMI-F47 ........................................................................................................ 81.8 Umbrales recomendados por SEMI ........................................................................... 91.9 Diagrama de dispersin e histograma de los datos FES de Bogot ..........................121.10 Diagrama de dispersin e histograma de los datos DES de Bogot ......................... 131.11 Histograma de los datos DES divididos entre los datos FES de Bogot ................... 131.12 Clasificacin de los Sag's por severidad ................................................................... 151.13 Seal elctrica de Bogot en el tiempo y en la frecuencia ........................................ 16Captulo 2: Marco terico referente al diseo del sistema de respaldo.2.1 Voltaje de entrada de cada enrutador ........................................................................ 182.2 Corriente mxima de los adaptadores de cada enrutador ......................................... 182.3 Potencia consumida a pleno uso por cada enrutador ................................................ 192.4 Interior de una batera de iones de litio ...................................................................... 202.5 Carga y descarga de una batera de iones de litio ..................................................... 212.6 Curva de carga caracterstica de una batera de iones de litio .................................. 222.7 Retraso en la entrega de energa de una batera de iones de litio ............................ 222.8 Diagrama de bloques de una fuente conmutada ....................................................... 242.9 Esquema bsico de un circuito reductor de tensin .................................................. 252.10 Esquema bsico de un circuito elevador de tensin .................................................. 252.11 Diagrama de bloques de una UPS Off-Line ............................................................... 272.12 Diagrama de bloques de una UPS On-Line ............................................................... 27Captulo 3: Pruebas de calidad de energa en un enrutador.3.1 Enrutador Encore ENHWI-N3 ................................................................................. 293.2 Interior del adaptador de corriente CDQ-104 ............................................................. 303.3 Circuito de prueba de caracterizacin del adaptador de corriente .............................303.4 Comparativo de tensin de salida de los adaptadores sin carga ...............................313.5 Comparativo de tensin de salida de los adaptadores con carga ............................. 313.6 Comparativo de corriente consumida por el enrutador transmitiendo datos ..............323.7 Comparativo de potencia consumida por el enrutador transmitiendo datos .............. 323.8 Comparativo de seal transmitida por el enrutador ................................................... 333.9 Circuito de prueba de caracterizacin del enrutador ................................................. 333.10 Comportamiento de la corriente respecto al voltaje ................................................... 343.11 Comportamiento de la potencia respecto al voltaje ................................................... 343.12 Circuito de prueba de interrupcin elctrica al enrutador .......................................... 353.13 Interrupcin de 40ms ................................................................................................. 353.14 Tren de pulsos de 40ms ............................................................................................. 363.15 Circuito de prueba de interrupcin elctrica al adaptador de corriente ......................363.16 Interrupcin de la red elctrica de 2,2ms ................................................................... 373.17 Interrupcin de la red elctrica de 20ms .................................................................... 373.18 Interrupcin de la red elctrica de 40ms .................................................................... 383.19 Interrupcin de la red elctrica de 76ms .................................................................... 383.20 Interrupcin de la red elctrica de 110ms ................................................................... 393.21 Comparativo entre el comportamiento del enrutador Encore ENHWI-N3 y los estndares ITIC y SEMI-F47 ........................................................................................................ 39Captulo 4: Especificacin y diseo del sistema de respaldo.4.1 Sistema de respaldo con topologa Fuera de Lnea (Off-Line) .................................. 414.2 Sistema de respaldo con topologa En Lnea (On-Line) ............................................ 424.3 Topologa definitiva del sistema de respaldo ............................................................. 434.4 Cargadores de bateras basados en el circuito integrado MAX1679 ......................... 464.5 Cargador de bateras basado en el circuito integrado MCP73113/4 ....................... 464.6 Cargador de bateras basado en el circuito integrado LTC1731 ................................. 474.7 Configuracin del cargador de bateras MAX1679 ..................................................... 484.8 Convertidor reductor de tensin de 12v5,7v ........................................................... 514.9 Caractersticas de inicio de operacin del convertidor reductor ................................. 524.10Caractersticas del voltaje de salida del convertidor reductor .................................... 534.11 Corriente en el inductor del convertidor reductor ....................................................... 544.12Dimensiones fsicas del mdulo reductor PTN78000W ............................................. 554.13Caractersticas de consumo de energa en el mdulo PTN78000W ......................... 554.14Configuracin del mdulo reductor de voltaje PTN78000W ...................................... 564.15Convertidor elevador de tensin de 3,3-4,2v12,5v ................................................. 574.16Caractersticas de inicio de operacin del convertidor elevador ................................ 584.17Caractersticas del voltaje de salida del convertidor elevador ................................... 594.18Corriente en el inductor del convertidor elevador ....................................................... 604.19Dimensiones fsicas del mdulo reductor PTN04050C .............................................. 614.20Caractersticas de consumo de energa en el mdulo PTN04050C .......................... 624.21Configuracin del mdulo reductor de voltaje PTN04050C ....................................... 624.22Algoritmo de comportamiento del sistema de respaldo ............................................. 63Captulo 5: Construccin del sistema de respaldo.5.1 Diseo de la cara frontal con plano a tierra de la tarjeta de potencia ........................ 705.2 Diseo de la cara posterior con plano de 0V de la tarjeta de potencia ...................... 715.3 Diseodelacarafrontal conplanoatierradelatarjetadecontrol paramicrocontrolador DIP40.......................................................................................................................... 725.4 Diseo de la cara posterior conplanode 0V de la tarjeta de controlpara microcontrolador DIP40 ......................................................................................................................... 725.5 Diseo de la tarjeta de control para microcontrolador 44-TQFP ................................ 735.6 Visualizacin en 3D de las caras frontales de las tarjetas ......................................... 735.7 Visualizacin en 3D de las caras posteriores de las tarjetas ..................................... 745.8 Tarjeta de control para Atmega16A 44-TQFP ............................................................ 755.9 Tarjeta de control terminada para Atmega16A 44-TQFP ........................................... 755.10Cara frontal con plano a tierra de la tarjeta de control terminada para Atmega16A DIP40 ......................................................................................................................... 765.11 Cara posterior con plano de 0V de la tarjeta de control terminada para Atmega16A DIP40.......................................................................................................................... 765.12Cara frontal con plano a tierra de la tarjeta de potencia ............................................ 775.13Cara posterior con plano de 0V de la tarjeta de potencia .......................................... 775.14Caja de prototipos de 9cm 6cm 3,5cm ................................................................ 785.15Adecuacin de las cajas, antes de realizar las conexiones ....................................... 795.16Conexiones de la tarjeta de potencia ......................................................................... 805.17Conexiones de la tarjeta de control ............................................................................ 815.18Conexiones externas, fusibles, LEDs indicadores, interruptor de encendido y batera Ion-Litio de 3,6V 2,4Ah ............................................................................................................ 825.19Conector de entrada, interruptor de encendido y LEDs indicadores ........................ 825.20Ensamble en conjunto ............................................................................................... 835.21Prototipo final ............................................................................................................. 84INTRODUCCIN.Existe una creciente demanda tanto de conexiones inalmbricas a internet de uso domstico como de equipos de cmputo porttiles que usan dichas conexiones debido a que las comunicaciones por internet han resultado ser ms simples y econmicas para un gran nmero de personas, por estosehacenecesariogarantizar lacontinuidaddel servicioinalmbricosuministradopor un proveedor de internet.Sin embargo, el sistema elctrico colombiano presenta frecuentemente anomalas, lo que afecta de manera negativa los equipos enrutadores de internet inalmbrico, las ms usuales son las cadas de tensin, que suelen alterar la configuracin de dicho equipo, perdindose la conexin inclusive si el servicio elctrico ha vuelto a la normalidad, provocando prdidas de informacin en eventuales transferencias de paquetes de datos y grandes molestias para el usuario que necesita reconectarse lo ms pronto posible.Por lo anterior se hace necesario el diseo y construccin de un equipo que sirva como soporte de energa temporal para los enrutadores en los casos que sean necesarios, que tenga una autonoma similar a la que tienen los computadores porttiles que se estima que es aproximadamentedoshorasparalosejemplares ms econmicos,porestoserequierequeel equipo en mencin use con la mayor eficiencia posible la energa almacenada en una batera que es la que finalmente suministrar la energa suficiente para mantener en funcionamiento el equipo enrutador de datos.En este documento se expone el proceso de diseo e implementacin del prototipo que cumplir la funcin de respaldo para un enrutador inalmbrico que soporte las anomalas ms frecuentes en la red elctrica de Bogot, no sin antes pasar por una investigacin para enmarcar tericamente las tcnicas y procedimientos necesarios para el ptimo cumplimiento de los objetivos del trabajo.1 Captulo 1: CALIDAD DE ENERGA Y ALTERACIONES DE LA RED ELCTRICA. 1.1Anomalas en las redes elctricas1.A continuacin seexponen las alteraciones y fluctuaciones que ocurrenen la red elctrica que afectan la calidad de la energa y que se deben tener en cuenta a la hora de disear y construirequipos electrnicos porque eventualmente estas fluctuaciones y alteraciones pueden afectar la integridad y vida til de los equipos y aparatos electrnicos que se conectan a la red elctrica: 1.1.1Cada momentnea de tensin Sag.Es una reduccin en la tensin RMS por debajo de lo permitido con una duracin mayor a medio ciclo pero menor a 2 minutos, como en el ejemplo mostrado en la ilustracin 1.1.Ilustracin 1.1: Seal de tensin afectada por un Sag.Sondisminucionesdecortaduracinenlatensindeestadoestableyalgunasvecesduran muchos segundos 0.5 a 30 ciclos y posiblemente ms, pueden tener efectos muy pequeos sobre cargas sensibles si la cada en la tensin no es mayor del 10 al 20%, o pueden tener un mayor efecto, similar a una salida o corte de energa, si la disminucin en la tensin es ms grande porejemplo el 50%.En instalaciones industriales son generalmente causados al momento de conectar grandes cargas a la red, esto tambin puede ocurrir en el sistema de alimentacin, pero es ms frecuente que las cadas momentneas de tensin sean causadas por fallas en el sistema. La ilustracin 1.2 muestra una cada momentnea severa causada por una falla en un transformador. Las cadas momentneas ms severas en un sistema distribucin resultan de fallas en el mismo alimentador, en la subestacin, o en el alimentador adyacente, y usualmente son fciles de identificar.1 BOLLEN, Math. Understanding Power Quality Problems. IEEE Press.3Ilustracin 1.2: Sag causado por una falla del transformador.Un acondicionador de potencia no protege una carga sensible contra las cadas momentneas de tensin severas, no las puede compensar totalmente y sus rels de bajo tensin se disparan.Las fallas en los sistemas de transmisin y subtransmisin, pueden afectar las tensiones de los usuariosmsalldelos75km, algunasveces, estascadasmomentneaspuedenser muy severas y causar que equipos tales como PLC's o computadores se disparen. Cuando un consumidor llama a quejarse de la mala calidad de energa, el problema real para la empresa de energaesquenoquedaregistradoel disturbioyaquelafallanosepresentenel sistema distribucin ni posiblemente en su rea de servicio.Ilustracin 1.3: Sag causado por una falla del sistema de subtransmisin.Las disminuciones momentneas de tensin y las interrupciones de potencia son los problemas ms importantes de calidad de potencia que afectan a los grandes consumidores industriales y comerciales, estos eventos son usualmente asociados con fallas remotas del sistema potencia. Las cadas momentneas de tensin son mucho ms frecuentes que las interrupciones. 1.1.2Elevacin momentnea de tensin Swell.Es un incremento en la tensin RMS por encima de lo permitido, con duracin mayor a medio ciclo y menor a unos pocos segundos. Se presenta en las fases no falladas de un sistema trifsico, durante una falla monofsica a tierra. La ilustracin 1.4 muestra una onda de tensin con swell.4Ilustracin 1.4: Seal de tensin afectada por un Swell. 1.1.3Interrupciones.Es la prdida completa de la tensin, o su disminucin a niveles inferiores al 10% de su tensin nominal por un perodo de tiempo considerablemente largo. Este tipo de eventos son normalmente causados por fallas en la distribucin que disparan las medidas de proteccin o por mantenimientos en las lneas de alta tensin, en algunas ocasiones menos frecuentes pueden ser causadas por la ruptura de los conductores. En secciones posteriores de este documento se har una ampliacin sobre la definicin y causas de las interrupciones del suministro elctrico, as como las denominaciones que se le dan en las instituciones gubernamentales colombianas encargadas de este asunto.Las anteriores fueron las alteraciones en la red elctrica ms comunes, sin embargo existen otros tipos de fluctuaciones que tambin pueden afectar los equipos que se conectan a la red elctrica,en la tabla 1.1se muestra un resumen de casi todos los tipos de alteraciones de la red elctrica con sus caractersticas.CATEGORA DURACIN TPICAMAGNITUD TPICA DE LA TENSIN1. Variaciones transitorias.1.1. Impulsos.1.1.1. Nanosegundos. < 50ns1.1.2. Microsegundos. 50ns-1ms1.1.3. Milisegundos. >1ms1.2. Oscilatorios.1.2.1. Baja frecuencia. 0.3-50ms 0-4pu1.2.2. Media frecuencia. 20ms 0-8pu1.2.3. Alta frecuencia. 5ms 0-4pu2. Variaciones de corta duracin.52.1. Instantneas.2.1.1. SAG. 0.5-30ciclos 0.1-0.9pu2.1.2. Swell. 0.5-30ciclos 1.1-1.8pu2.2. Momentneas.2.2.1. Interrupcin. 0.5ciclos-3s 1min 0.8-0.9pu3.3. Sobretensin. >1min 1.1-1.2pu4. Desbalance de tensin. Estado estable. 0.5-2%5. Distorsin de la forma de onda.5.1. Componente de corriente directa. Estado estable. 0-0.1%5.2. Componente armnica. Estado estable. 0-20%5.3. Interarmnicas. Estado estable. 0-2%5.4. Muescas en la tensin. Estado estable.5.5. Ruido. Estado estable. 0-1%6. Fluctuaciones de tensin. Estado estable. 0.1-7%7. Variaciones en la frecuencia. =145){estado=0;}}//********************************************************************************************************************************************// CASO 2: Control de recarga//********************************************************************************************************************************************if(estado==2){//flag=0;if(Vterm6185){if(Vbatt4==2){estado=0;}if(Vin2==3){ //Condicion de Voltaje de entrada Adaptador ok, MSB ->Vin2if(Vin1>154){ //Condicion de Voltaje de entrada Adaptador ok, LSB ->Vin1PORTD=0;}else estado=0; //Condicion de falla de energia, UPS ON}else estado=0; //Condicion de falla de energia, UPS ON}else PORTD=64;break;case 1:if(Vterm5Vin2if(Vin1>154){ // Condicion de Voltaje de entrada Adaptador ok, LSB ->Vin1PORTD=0;}else estado=0; //Condicion de falla de energia, UPS ON}else estado=0; //Condicion de falla de energia, UPS ON}else PORTD=64;break;//default: PORTD=64; break;}}}//********************************************************************************************************************************************// CASO 3: UPS ON//********************************************************************************************************************************************if(estado==3){if(Vterm6185){PORTD=36;if(Vbatt4