3. Diseño del Prototipo
4.1. Fuente de alimentación CA-CD
Esta sección del dispositivo, está basada en la tarjeta de evaluación STEVAL- ISA035V1. La STEVAL-ISA035V1, es una fuente de alimentación no aislada, que utiliza principalmente el circuito integrado VIPER22A, con la cantidad mínima de componentes, en una versión de hardware libre. La tarjeta soporta tensiones de entrada de 85 VCA a 264 VCA con frecuencias de 50 a 60 HZ, con eficiencia del 70% al 80%, protección integrada para temperatura y corto circuito.
Este tipo de fuentes no aisladas, son utilizadas normalmente en aparatos que necesitan proporcionar energía suficiente para alimentar microcontroladores, pantallas de LED, relevadores, o interruptores de corriente alterna. La STEVAL-ISA035V1, tiene un sólo rectificador, para usar como referencia el neutro, con el fin de poder disparar triacs o interruptores de CA.
Para el caso del prototipo de ayuda a ciegos por ecolocación, se buscaba una fuente de alimentación lo más pequeña posible, con características de alimentación suficientes para cargar la batería del dispositivo desde la corriente alterna, por esta razón se seleccionó la tarjeta de evaluación STEVAL-ISA035V1.
Esta tarjeta se presenta en 4 versiones; 12V a 350 mA.
12V a 200 mA. 16V a 350 mA. 16V a 200 mA.
Para el diseño del circuito se usó la versión 4. En la Figura 15 se muestra una réplica del esquemático que propone el fabricante para una fuente con salida de 16 V a 350mA.
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Figura 15 - Circuito CA-CD de 120 a 16 v. [Imagen]. Creación propia.
3.4.1.1. Operación del Circuito.
A continuación se describe de forma básica algunos puntos de interés acerca de la operación del circuito de alimentación CA- CD, (si se requiere mayor información se puede consultar en la nota de aplicación AN2544 de ST microelectronics)12
3.4.1.2. Rectificador de Línea y Filtro de Entrada
La operación del circuito para cualquiera de las cuatro versiones es básicamente la misma. La diferencia está en el circuito de arranque. Como se puede apreciar en la figura 15 la salida del convertidor no está aislada de la entrada, esto une la tierra del dispositivo al neutro. Este tipo de configuración hace al circuito más barato, porque no usa transformador, ni opto acoplador. La Línea de corriente alterna pasa a través del diodo D3 que funciona como un rectificador de media onda.
C5, L1 y C6 forman un filtro pi para reducir el ruido de EMI. R1 sirve para dos propósitos, uno es para la limitar la corriente máxima en el primer instante de encendido (inrush limiting), y el otro es para actuar como un fusible, en caso de un fallo catastrófico.
C1 ayuda a la EMI equilibrando la línea y el ruido neutral, esto sirve para cubrir una certificación EN55022 clase "B", que aplica para equipos, dispositivos o aparatos que manejan una tención nominal menor a 600 volts y que están destinados a ser utilizados en el ámbito doméstico (Figura 16)13.
12 (STMicroelectronics, 2007) 13 (RF EMC Development, 2014) SOURCE 1 SOURCE 2 FB 3 VDD 4 DRAIN 8 DRAIN 7 DRAIN 6 DRAIN 5 U1 VIPER22ADIP-E 10 R1 1W 1K R2 1/4W 100nF C1 22nF 25V C2 D2 D4 D Zener D3 Diode D5 Diode 1mH L2 470uH L1 4.7uF 25V C3 10uF C5 400V 47uF C4 D1 Diode 10uF C6 400V Linea Neutro VPR_VDD VPR_FB VPR_SOURCE VPR_DRAIN Vout_16V 16V NEUTRO
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Figura 16 - Rectificador de línea y filtro PI. [Imagen]. Creación propia
3.4.1.3. Circuito de Arranque.
El voltaje a través de C6 alimenta al DRAIN, del pin 5 al 8 de U1. Dentro del integrado VIPER22A la fuente de corriente constante proporciona 1mA al pin 4 VDD, esta corriente carga a C3. Cuando el voltaje en el pin VDD alcanza 14.5 volts nominales, la fuente de corriente se apaga y el VIPER22A arranca el pulso. Durante este tiempo la energía está siendo subministrada desde el capacitor de VDD (C3). La energía almacenada debe ser mayor que la energía necesaria para subministrar la corriente de salida más la energía para cargar el capacitor de salida antes de que el capacitor de VDD llegue a un valor por debajo de 9 volts. Por lo tanto el valor del capacitor se elige para acomodar el tiempo de inicio. Durante un corto circuito el capacitor de VDD se descarga por debajo del valor mínimo permitiendo que el generador de corriente de alta tensión inicie una nueva secuencia de arranque. La carga y descarga del capacitor determina el periódo de tiempo que la fuente de alimentación está encendida y apagada. Esto reduce el efecto de calentamiento RMS de todos los componentes.
El circuito de regulación está formado por D2, C3 y D1.El D1 carga a C4 durante el tiempo de descarga de L2 (freewheeling time) cuando D5 está conduciendo. Durante
este tiempo la referencia de la fuente es la caída de voltaje en D5 que está por debajo de tierra, esto compensa la caída de voltaje de D1. Así que básicamente el voltaje del Zener D2 es la misma que la tensión de salida. D2 es un BZT52C12, Zener a ½ W con una corriente de prueba especificada de 5 mA. Estos Zeners que se especifican en una corriente inferior dan una mayor precisión de la tensión de salida. Para 16 V de salida, el pin VDD y el pin Vfb pueden compartir un diodo común y condensador de filtro similar a la Figura 17.
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Figura 17 - Regulador y circuito de arranque. [Imagen]. Creación propia
3.4.1.4. Selección de Inductor.
Un punto de partida para el inductor opera en modo discontinuo se puede derivar de la ecuación 1 que da una buena aproximación del inductor.
(1)
Cuando la corriente de pico de drenaje es mínima, 560mA para el VIPer22A-E, F corresponde a la frecuencia de conmutación, 60kHz. La máxima corriente limita la potencia suministrada en la topología buck. Por lo tanto, el cálculo anterior es para un inductor que funciona en modo discontinuo. Si la corriente de conmutación baja a cero la corriente pico es el doble de la salida. Esto limita la corriente de salida a 280mA para un VIPer22A-E. Si el inductor es un valor mayor, que opera entre el modo continuo y discontinuo, se puede llegar a 200mA cómodamente lejos del punto de límite de corriente. C4 tiene que ser un condensador de baja ESR para dar un voltaje de rizo bajo, la ecuación 2 describe la fórmula para el voltaje de rizo.
(2)
D5 tiene que ser un diodo de recuperación rápida, sin embargo D8 puede ser un diodo estándar. D4 se utiliza para fijar el voltaje a 16 V pero debido a la naturaleza de la topología se recomienda un Zener de 3 a 4 V más alta que la tensión de salida.
El valor de L determina la condición de frontera entre el modo continuo y discontinuo para una corriente de salida dada. Con el fin de operar en modo discontinuo, el valor del inductor tiene que ser menor que.
(3)
Donde R es la resistencia de carga, T es el periodo de conmutación y D es el duty cycle.
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Hay dos puntos que se deben tener en cuenta. Uno de ellos es que mientras mayor es la corriente pico es más posible operar en modo discontinuo. En este punto la corriente se debe mantener inferior al mínimo del límite actual de la VIPer22A-E, que es de 560mA. El otro punto es que si utilizamos un inductor mayor valor que permita funcionar en modo de operación continuo todo el tiempo, existirá con un exceso de calor y pérdidas en la conmutación del MOSFET dentro de la VIPER. Por esto, la corriente del inductor debe ser mayor que la corriente de salida para evitar el riesgo de saturar el núcleo.
En la Figura 18 se muestra el comportamiento de la corriente con dos inductores diferentes, el trazo azul corresponde a la corriente con un inductor de 470μH mientras que el trazo púrpura corresponde a la corriente con un inductor de 1mH, cuando el MOSFET está activado.
Figura 18 - STMicroelectronics. (2007). Corriente de inductor 470uH VS 1mH. [Grafica]. Recuperado de nota de aplicaciones Designing a low cost power supply using a VIPer12/22A-E in a buck
configuration.
Cuando el MOSFET está activado, el pin SOURCE es igual que la entrada de línea rectificada y la corriente está aumentando. A 350mA de corriente de salida, el pico de la corriente es de 550mA para un inductor de 470μH, como el peor de los casos es 560mA, la corriente estaría muy cerca del límite, por lo tanto el inductor de 470μH se puede tomar como valor mínimo que se puede utilizar.
Lo más conveniente es elegir un inductor que permita mediar la corriente de rizado entre el modo discontinuo y el modo continuo, cuando se está trabajando cerca de la intensidad máxima. A partir de los cálculos se puede observar que para una salida de 350mA, manteniendo el pico de corriente a 443mA, lejos del límite es necesario un inductor de 1mH como se muestra en la ecuación 4.
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3.4.2. Cargador de Baterías.
Para evitar gastos en consumo de baterías, se utilizó una batería recargable, esta batería, tiene dos posibilidades para de ser recargada, una es desde la toma de corriente alterna por medio del convertidor CA-CD que ya fue descrito y la otra es a través de celdas solares.
3.4.2.1. Operación del Circuito.
Esta sección se compone principalmente de tres partes, circuito OR, regulador de voltaje, y circuito cargador de baterías en la Figura 19 se muestra un diagrama de bloques para describir el funciona miente de este módulo.
CA-CD OR Celda solar Regulador de voltaje CD-CD Cargador de baterías
Figura 19. – Diagrama de bloques de cargador de baterías. [Diagrama]. Creación propia.
El dispositivo tiene la capacidad de seleccionar una de las fuentes de energía, en caso de no estar conectado el circuito de CA-CD, entra automáticamente a la fuente de energía solar y en caso de estar conectado desconecta la fuente de energía solar esto se lleva a cabo mediante el circuito OR, después de esta selección se regula el voltaje a 5V para alimentar un circuito que sirve para recargar baterías de litio recargables. En la Figura 20 se muestra el esquemático del módulo cargador de baterías
Figura 20 - Cargador de baterías. [Imagen]. Creación propia.
3.4.2.2. Circuito OR.
El prototipo de ayuda para ciegos por ecolocación tiene dos posibles fuentes de alimentación una es a través de la fuente CA-CD y la otra es a través de celdas solares
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como ya se ha mencionado antes. Para la alimentación por medio de celdas solares se ocuparan 2 celdas solares de con capacidad de 6 volts y 100 mA con número de parte 750-00030 de la marca Parallax Inc. Cada celda solar mide 9 cm por 5 cm, en la figura 21 se muestra este tipo de celda solar
Figura 21 - Celda solar. [Imagen]. Recuperado de
http://media.digikey.com/Photos/Parallax%20Photos/750-00030.jpg
Para realizar esta selección de fuente el circuito hace una operación lógica que responde a la tabla de verdad de una compuerta lógica OR sólo que ésta maneja voltajes diferentes a TTL y diferentes entre sí. Cuando ambos voltajes están alimentando el circuito deshabilita el voltaje más bajo, y sólo permite la alimentación del voltaje más alto. Esto se lleva a cabo utilizando dos diodos Shottky MBR0530 conectados como se muestra en la figura 22.
Figura 22 - Circuito OR. [Imagen]. Creación propia.
Cuando la fuente CA- CD está desconectada y sólo están conectadas las celdas solares (Figura 233), sólo está conectado el diodo D8, por lo tanto el voltaje que recibe la carga está descrito por la ecuación 5, mientras que la potencia que consumiría la carga está definida por la ecuación 6.
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Figura 23 - Circuito OR con AC-CD desactivada. [Imagen]. Creación propia.
(5)
(6)
Considerando la corriente que proporcionan las celdas solares y según indica la hoja de datos del diodo le corresponde un por lo tanto sustituyendo estos datos en la ecuación 7:
(7)
Sustituyendo en la ecuación 8 se obtiene.
(8)
Para el caso en que las baterías solares están desactivadas, y sólo está conectada la fuente de alimentación CA-CD el circuito se reduciría al que se muestra en la Figura 244.
Figura 24 - Circuito OR con celdas solares desactivadas. [Imagen]. Creación propia.
La hoja de datos del diodo indica que para una corriente máxima de
corresponde un , esto también corresponde a la corriente máxima que puede salir de la fuente de alimentación de CA-CD que es de 350mA, sustituyendo estos valores en la ecuación 9 se obtiene:
(9)
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(10)
Cuando ambos voltajes están conectados. Para el caso en que ambas fuentes están conectadas, se puede observar que el voltaje en el ánodo del diodo D8 es menor que el voltaje en su cátodo, por esta razón este diodo no conduce y el circuito se reduciría al de la Figura 28, por lo tanto los valores de voltaje y potencia que consume la carga son los mismos que describen las ecuaciones 5 y 6.
3.4.2.3. Regulador de Voltaje CD-CD.
El circuito que se utiliza para cargar la batería funciona con 5 volts, por lo tanto se debe de regular el voltaje que proviene del circuito OR, para realizar esta función se utilizó un regulador de voltaje CD- CD conmutado ROF-78E5.0-0.5SM de la marca
recom.
La hoja de datos sugiere agregar un filtro pi a la entrada de la fuente como se muestra en la figura 25, para evitar mal funcionamiento por radiación electromagnética considerando que normalmente se conectará a una fuente no aislada y también se conectará a una fuente cuya potencia varia con respecto a la intensidad de luz.
Figura 25 - Regulador de voltaje. [Imagen]. Creación propia.
Este regulador tiene una eficiencia de 79 a 89 % y puede manejar rangos de voltaje de entrada desde 9 hasta 36 volts, por lo tanto puede funcionar con las dos fuentes de alimentación que se están utilizando.
Cuando se conecta a la fuente de alimentación CA-CD se está alimentando con una potencia de 5.45W según la ecuación 7, tomando en cuenta la mínima eficiencia se podría estimar la potencia de salida despejando la ecuación 11 como se muestra en la ecuación 12.
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(12)
Sustituyendo los valores mencionados en la ecuación 12.
(13)
Por lo tanto la corriente de salida se podría obtener sustituyendo los datos de potencia y voltaje en la ecuación 11 correspondiente de la corriente, como se muestra en la ecuación 14.
(14)
Pero la fuente de alimentación sólo puede entregar 500mA a la salida, ésto quiere decir que la fuente está consumiendo menos corriente de la que la fuente de energía CA- CD está proporcionando. Para entregar 5V a 500mA la potencia mínima de entrada podría obtenerse despejando la ecuación como se muestra en la ecuación 15.
(15)
Sustituyendo los valores mencionados en la ecuación 16.
(16)
Sustituyendo la ecuación 14 en la ecuación 12 y sustituyendo los valores correspondientes se puede observar que la corriente de salida será de 183mA como se muestra en la ecuación 17. Esto quiere decir que si alimentamos con las celdas solares la fuente va a entregar menor cantidad de corriente.
(17)
3.4.2.4. Circuito Cargador de Baterías.
La batería que el prototipo utiliza es una batería de litio modelo MLP674361 de la marca mikroElektronika, esta batería tiene un voltaje de carga de 4.2V y un voltaje nominal de 3.7 V, su tiempo de recarga es de 3 horas y puede entregar un voltaje desde 3.7 V hasta 3.9 V, su capacidad es de 2 A por Hora (Figura 26).
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Figura 26 - Batería MLP674361. [Imagen]. Recuperado de http://microcontrollershop.com/product_info.php?products_id=5133
El circuito cargador de batería que se utiliza para cargar esta batería es el LTC4064 de linear technology. El LTC4064 es un cargador lineal independiente optimizado para prolongar la vida de baterías de iones de litio en aplicaciones de back-up. Al cargar a un voltaje flotante de 4 V en lugar de 4.2V o 4.1V, el LTC4064 desacelera el proceso de envejecimiento y la capacidad de degradación cuando la batería no se utiliza durante largos períodos de tiempo.
Un capacitor externo programa un temporizador de seguridad para terminar el ciclo de carga, mientras que la corriente de carga se ajusta externamente con una sola resistencia. Cuando se quita la alimentación de entrada, el LTC4064 entra automáticamente en un modo de bajo consumo, y la corriente de drenaje de la batería cae a 3µA.
Las características adicionales de seguridad diseñadas para maximizar la vida útil y la fiabilidad de la batería incluyen detección de temperatura NTC y carga de mantenimiento acondicionada.
El LTC4064 contiene en su interior un MOSFET de potencia, que elimina la necesidad de una resistencia de detección externa y diodo de bloqueo. El circuito integrado también incluye un circuito que permite la de detección de señales CA presentes en la señal lógica y detección de fallos. En la figura 27, se muestra la configuración para aplicaciones básica del LTC4064.
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Figura 27 - Aplicación Básica del LTC4064.[Imagen]. Recuperado de http://www.linear.com/product/LTC4064
3.4.2.4.1. Programación de Corriente de Carga
La fórmula para calcular la corriente de carga se muestra en la ecuación 18
(18)
Tomando en cuenta que el voltaje de programación del integrado LTC4064 es de 1.5V se obtiene la ecuación 19.
(19)
Despejando la ecuación 19 se obtiene una ecuación para calcular la resistencia de programación.
(20)
La corriente máxima que va a recibir el circuito es la que proviene del convertidor CA- CD de 0.5A por lo tanto, esta corriente se tomó como corriente de carga, sustituyendo en la ecuación 20 se obtiene:
(21) La corriente de la batería cuando se está cargando es:
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3.4.2.4.2. Programación de Tiempo de Carga
El temporizador programable se utiliza para terminar el ciclo de carga. La duración del temporizador es programada por un capacitor externo conectado en el pin TIMER. El tiempo total de carga está definido por la ecuación 23:
(23) Despejando de la ecuación 23 se obtiene:
(24)
Considerando que el tiempo de carga de la batería MIKROE-1120 es de 3 horas sustituyendo este valor en la ecuación 24 se obtiene:
(25)
El LTC4064 tiene un pin CHRG que se utiliza para conocer el estatus de carga de la batería, internamente tiene un MOSFET de canal N que manda una señal de bajo al pin CHRG cuando la batería está cargando. Este pin se puede utilizar para dar la señal de que la batería ya está cargando al microcontrolador principal, pero en el prototipo se colocó un LED a este pin, con el fin identificar cuando la batería está siendo cargada, en la Figura 28 se muestra la configuración del LTC4064 en el prototipo de ayuda a movilidad por ecolocación.
El temporizador se inicia cuando se aplica un voltaje de entrada mayor que el nivel de umbral de bloqueo de baja tensión y el voltaje en el pin SHDN es mayor que el nivel de voltaje de umbral de desconexión manual. Después se produce un tiempo de espera, la corriente de carga se detiene, y la salida CHRG asume un estado de alta impedancia para indicar que la carga se ha detenido. Conexión de la clavija a tierra TIMER desactiva la función de temporizador.
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3.4.3. Regulador de Voltaje Boost.
Se utilizó un convertidor de voltaje CD-CD de subida por dos razones.
El prototipo de ayuda a movilidad para invidentes ocupa un módulo HC-SR04, estos módulos trabajan a 5 volts por lo tanto es necesario subir el voltaje de la batería de 3.7V a 5V.
Una de las funcionalidades del prototipo es detectar cuando la batería esta baja, el microcontrolador utiliza un ADC para detectar los niveles de voltaje de la batería, este ADC utiliza una referencia de voltaje que puede ser interna o externa, en este caso se utilizó la referencia externa. Utilizando la fuente boost, sin importar si la batería está entregando 3.7V, o si su voltaje está cayendo hasta 2.7V, la fuente entrega 5V a la salida, y la referencia del convertidor ADC no se mueve por lo tanto la medición es correcta.
Se utilizó un convertidor CD-CD tipo boost que propone la marca Texas Intrument, en