Módulo de Energía para el Vehículo Estratosférico Sabio Caldas II

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(1)MÓDULO DE ENERGÍA PARA EL VEHÍCULO ESTRATOSFÉRICO SABIO CALDAS II. Documento para optar al título de Tecnología en Electrónica Modalidad de Investigación. Grupo DIGITI. INTEGRANTES Camilo Andrés Carvajal Hoyos 20132573069 Juan Sebastián Susa Velandia 20132573063. DIRECTOR Ing. Esperanza Camargo Casallas PhD.. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Facultad Tecnológica Bogotá D.C., Marzo de 2018. 1.

(2) HOJA DE ACEPTACIÓN. “Módulo de energía para el vehículo estratosférico Sabio Caldas II”. Observaciones. _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________. DATOS DE ENLACE E-mail: [email protected] Teléfono: 3046629220 E-mail: [email protected] Teléfono: 3017426092. _______________________________ Director del Proyecto Ing. Esperanza Camargo Casallas. Fecha de presentación: Abril de 2018. 2.

(3) Resumen. El proyecto surge como una oportunidad de mejora a la primera versión del vehículo estratosférico, en esta versión se pretende incluir el control de la temperatura y la gestión de la energía en un único micro controlador (Raspberry Pi 3), además se incluirá una batería de respaldo alimentada por paneles solares, que ayudará en la ubicación del vehículo una vez finalizada la misión. Para la gestión de la energía se implementa un módulo de energización el cual cuenta con conversores y reguladores de voltaje para tener salidas de 12V y 5V de tensión para alimentar los módulos del vehículo (navegación, transmisión de video, sensores, cámaras y micro controladores) durante el tiempo de misión (3-4 horas). Adicional a esto, el proyecto cuenta con un sistema de calefacción encargado de mantener una temperatura optima en el vehículo y de esta manera mantener el buen funcionamiento de todos los componentes electrónicos que lo conforman, almacenando finalmente todos los datos obtenidos durante el vuelo en un dispositivo extraíble para poder ser visualizados posteriormente, en el cual se encontraran tablas de con información básica para analizar los resultados de la misión (fecha, hora, temperatura).. Este proyecto se desarrolló para el grupo de investigación DIGITI de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, fue apoyado y financiado por el CIDC de la misma Universidad y la OTRI Bogotá. El lanzamiento se realizará bajo el concurso de la FAC.. Palabras Clave: Control, energía, regulación, temperatura, Vehículos espaciales.. 3.

(4) Abstract. This project arises as an opportunity for improvement the first version of the stratospheric vehicle, in this version, the intention is to include the temperature control and the energy management in a single microcontroller (Raspberry Pi 3). Also it will be included a backup batery powered by solar panels, this improvement is going to help in the localization of the vehicle once finished the mission. In the energy managament we will use an energization module equipped with voltage regulators and conversors in order to generate outputs of 12V and 5V and supply all the modules (navigation, video transmission, sensors, action cams and microcontrollers) during the specified time of mission (3-4 hours). Furthermore, this project has an heating system responsible for maintaining an optimal temperature in the vehicle in order to guarantee the correct working of the entire circuit and components, finally the module stores the data in a removable device to be analyzed later, it includes data tables (date, hour, temperature).. This project was developed for the research group DIGITI of the District University Francisco José de Caldas; it was supported and promoted by the CIDC from the same University and OTRI Bogotá. The launch will be carried out under the FAC contest.. Keywords: Control, power, regulation, temperature.. 4.

(5) Agradecimientos. Le agradecemos al grupo de investigación DIGITI por permitirnos desarrollar este proyecto con ellos, a la Ingeniera Esperanza Camargo quién nos motivó a hacer parte del desarrollo de la segunda versión de la Sonda Sabio Caldas y a todos los profesores que hicieron parte de nuestra formación profesional e integral, cuyos conocimientos cimientan las bases para poder desarrollar este y futuros proyectos.. 5.

(6) Tabla de contenido. Contenido 1.. Introducción………....…………………………………………………………...........…9 1.1.. Problema………………………....………………………………………….…10. 1.2.. Justificación.............................................................................................11. 1.3.. Objetivos...........................................................................................................12 1.3.1. General………………………………...……………...................................12 1.3.2. Específicos…………………...……………………...…………..………….12. 2.. Marcos de referencia……………………………………………......…………………12 2.1.. Estado del Arte………………………………….........…...………………….12 2.1.1. Abastecimiento de energía…………………………………...........12 2.1.2. Control térmico…………………………………………...…………..13. 2.2.. Marco Teórico………………………...…………………………………….…15 2.2.1. Estructura vertical de la atmosfera………………………………..15 2.2.2. Sistemas de control térmico………………………………………..17 2.2.3. Control térmico pasivo………………………………...………….…17 2.2.4. Intercambiadores de calor…………………………………………..18 2.2.5. PWM…………………………………………………….…………….…18 2.2.6. Efecto Peltier…………………………………………………………..19 2.2.7. Comunicación SPI (Serial Periferical Interface)……….………..19. 3.. 4.. Metodología…………………………………………………………………...…………20 3.1.. Regulación y abastecimiento de energía…………..…………………….20. 3.2.. Control térmico del vehículo…………………….…………………...........25. 3.3.. Almacenamiento de datos…………………………….…………………….30. 3.4.. Batería de respaldo………………………………………...………………...31. Resultados………………………………………………………………………............34. 6.

(7) 5.. Conclusiones y recomendaciones…………………………………………………..37. 6.. Bibliografía……………………………………………………………………………….38. 7.

(8) Lista de figuras Figura 1 Módulo MP1584 [20] ..................................................................................... 21 Figura 2.Diseño fuente reductora a 5v Fuente: Los autores ................................... 22 Figura 3. Dimensiones módulo MP1584 [20] ............................................................ 22 Figura 4. Diagrama circuital módulo MP1584 [20] .................................................... 24 Figura 5. Módulo amplificador MAX 31865[21]..........................................................26 Figura 6. Módulo MAX 31865 conexiones completas Fuente: Los autores............27 Figura 7. Circuito esquemático MAX31865[21]..........................................................28 Figura 8. Montaje común Celda de Peltier [22]..........................................................29 Figura 9. Toma de datos en microcontrolador Fuente: Los autores.......................30 Figura 10. Instalación panel solar con cargador y batería Fuente: Los autores....32 Figura 11. Cargador solar para batería de Litio[23]...................................................33 Figura 12. Sistema “Load sharing” del cargador solar[23]......................................33 Figura 13. Prototipo módulo control energía y temperatura Fuente: Los autores 34 Figura 14. Gráfica temp Vs tiempo a temperatura ambiente Fuente: Los autores 35 Figura 15. Gráfica temp Vs tiempo a temperatura bajo 0C Fuente: Los autores 28. 8.

(9) 1. Introducción. Teniendo como precedente la primera versión del Vehículo Estratosférico Sabio Caldas II y el impacto académico y social que tuvo, se pretende desarrollar una segunda versión mejorada del proyecto, a lo largo de este informe, se analizarán los módulos energéticos y de control de temperatura así como los cambios que hubo en estas áreas para mejorar la anterior versión que ya presentaba un rendimiento más que sobresaliente.. Con estos proyectos de investigación se busca que el país logre incursionar en el área espacial en la cual no se ha avanzado demasiado en los últimos años, tenemos registro del satélite Libertad I lanzado por la Universidad Sergio Arboleda [1] que envía datos desde 2007, la Sonda Sabio Caldas en su primera versión lanzada en el año 2016 y el nuevo nano satélite FACSAT-1 de la Fuerza Aérea Colombiana proyectado para lanzarse en 2022.. Para esto el grupo de investigación DIGITI junto con la Universidad Distrital Francisco José de Caldas desarrollan e investigan hoy en día con su nuevo prototipo Sabio Caldas II en el área espacial, el cual cuenta con un módulo de energización para todo el vehículo con un tiempo óptimo para lograr completar la misión espacial y un módulo de regulación de temperatura interna para evitar temperaturas muy bajas dentro de este vehículo además, como novedad incorpora un módulo con una batería ultra liviana de respaldo alimentado por paneles solares que busca dar energía los sistemas de detección y ubicación del vehículo una vez finalizada la misión.. 9.

(10) 1.1 Planteamiento del Problema. La pérdida de energía durante el proceso de calefacción hace que las baterías se comporten de manera inestable, descargándose con mayor facilidad, también se pueden ver perjudicadas por las bajas temperaturas presentes en la estratósfera (-55 °C) lo cual altera sus propiedades químicas y físicas, y como consecuencia su funcionamiento ideal.. Debido a esto es necesario implementar un proceso en el cual se regule la temperatura para así evitar el desperdicio de energía y garantizar una temperatura óptima para el buen funcionamiento y el cuidado de los componentes electrónicos y así evitar el daño de estos mismos.. Además, en la primera versión de la sonda se dificultó encontrar el vehículo una vez finalizada la misión, es por esto que se busca implementar una batería adicional ultra liviana que no afecte el peso total de la nave, esta funcionará por medio de paneles solares y su principal responsabilidad es la de mantener activos los módulos de geo posicionamiento y strobers.. 10.

(11) 1.2 Justificación. En la estratosfera se presentan temperaturas muy bajas las cuales afectan el buen funcionamiento de los componentes de una sonda, pues esta temperatura puede alcanzar hasta los -90°C en la mesopausa que es la capa que separa la estratósfera de la mesósfera y la temperatura mínima en equipos electrónicos clásicos es de -10 ºC.[2].. Durante el desarrollo de la Sonda Sabio Caldas I se evidenció un buen control térmico, no obstante al control energético será modificado para mejorar su funcionamiento, especialmente se hará enfoque en optimizar su peso y la facilidad para el rescate del vehículo estratosférico, haciendo uso de los conocimientos adquiridos durante nuestro proceso de formación académica.. 11.

(12) 1.3 Objetivos. 1.3.1 General. Controlar la temperatura y abastecer de energía el Vehículo Estratosférico Sabio Caldas II.. 1.3.2 Específicos. . Garantizar 12 volts y 5 amperes regulados para el abastecimiento de energía de todos los módulos de la sonda.. . Sensar constantemente la temperatura interna de la nave y mantenerla en niveles ideales de funcionamiento (18 a 25 grados Celsius).. . Asegurar un tiempo de misión de 3 a 4 horas y 24 horas de batería de respaldo.. 12.

(13) 2 Marcos de referencia. 2.1 Estado del Arte Debido a que este módulo se compone tanto del abastecimiento energético como la regulación térmica del vehículo, se hizo una gran investigación de proyectos similares que nos ayudaran a solucionar el problema planteado para el buen desarrollo de este proyecto, por esta razón lo dividimos en dos partes la cuales son abastecimiento de energía y control térmico.. 2.1.1 Abastecimiento de energía El abastecimiento energético de dispositivos aeroespaciales es muy importante ya que de este depende la misión para la que este diseñado el vehículo, muchos drones que se encuentran disponibles en el mercado hacen uso de baterías lipo, las cuales hacen que el dispositivo se mantenga en funcionamiento durante cierto tiempo[3], además “son baterías recargables que han ido rápidamente sustituyendo a los suministros por combustión en el ámbito de los vehículos no tripulados”, debido a que son ligeras, presentan gran capacidad de almacenamiento de carga y tienen una alta tasa de descarga energética [4].. Para la regulación de energía se hace uso de circuitos tipo BEC (Battery Elimination Circuit) los cuales evitan adición de fuentes exteriores de menor tensión, simplemente regulan el voltaje de entrada de una batería y lo convierten a uno menor ayudando a las condiciones aéreas del vehículo, ya que se eliminan fuentes de alimentación adicionales, haciendo a este mismo más liviano [4].. 2.1.2 Control térmico El control térmico en dispositivos aeroespaciales es muy importante ya que este se encarga de proteger y controlar todos sus elementos internos para que se encuentre entre los límites de temperatura en los que su operación no se vea afectada[2], existen diferentes tipos de control térmico como por ejemplo:. 13.

(14) En el satélite Cluster se hace uso de tanques propulsores como un sistema de almacenamiento de calor, ya que este satélite se ve expuesto a las bajas temperaturas presentes durante un eclipse, por lo tanto corre el riesgo de que se dañen sus amplificadores de alta potencia del transmisor y que se congelen algunos de sus componentes, haciendo uso de los tanques propulsores se obtiene un resultado satisfactorio, pues la temperatura se mantiene estable, por lo cual ninguno de sus módulos presenta temperaturas críticas y todos sus componentes se mantienen en perfecto estado[5].. Existen otros métodos como lo son tubos pulsantes de calor con sus siglas en inglés (PHP), que se caracterizan por usar fluidos como el agua y el etanol para disipar calor por medio de tubos de cobre o vidrio conectados entre sí formando una u[6], este método llamado también caloducto pasivo fue inventado en el año 1964 y desde entonces ha sido muy usado para el proceso de calefacción[2], aunque el instituto de física y química con sus siglas en ingles TIPC desarrollo un dispositivo más eficiente, pues este contiene como fluido de trabajo el nitrógeno líquido el cual se caracteriza por transferir grandes cantidades de calor a largas distancias[7].. También existen otras formas de disipar calor como lo son los radiadores los cuales se caracterizan por disipar el calor interior al exterior, además deben ser muy ligeros para no incrementar el peso de la nave[2]. Se han encontrado tipos de radiación inteligentes también llamados SDR, el cual es un método muy eficiente para el control térmico en naves espaciales, ya que la emisión de calor varía según la temperatura presente en la nave[8], además actualmente se han encontrado e implementado paneles térmicos reversibles que pueden cumplir dos funciones, puede funcionar como radiador o como panel absorbente de calor el cual es muy eficaz en misiones espaciales[9].. Para evitar que el combustible se congele en una nave espacial se debe tener cierta protección o calefacción en el sistema de propulsión en el cual se implementa un modelo matemático térmico (TMM) [10].. 14.

(15) También se han implementado capas protectoras de calor, las cuales presentan el principio fundamental de un para sol, un ejemplo de esta se puede evidenciar en la nave espacial Gaina con una sombrilla de 11 metros la cual disipa el calor producido por el sol en el espacio [11], además existen sistemas de refrigeración como lo son los paneles sándwich, los cuales presentan en su núcleo una espuma metálica que se encarga de expulsar aire comprimido y refrigerar la nave[12].. Un dispositivo usado en establecimientos cerrados para controlar la temperatura y mantenerla entre un rango de 20ºC +/- 1 ºC es la celda Peltier basada en el efecto Peltier descubierto en 1834, J. Arturo Mendoza Razo, Carlos A. Amaro Betancourt, Saúl Almazán Cuellar y J. Adrián Chiquito Cruz hacen uso de esta celda para crear una unidad de temperatura controlada y así reducir los errores de medición producidos por la variación de la temperatura ambiente, la cual se caracteriza por que disipa calor en una de sus caras y frio en la otra, esto dependen de la polaridad DC que se le aplique, además que es una celda muy eficiente y ligera [13] la cual podría ser implementada en el vehículo estratosférico teniendo en cuenta sus características de peso y eficiencia, además que no se necesitarían de fuentes adicionales ya que funciona con corriente directa. . Aislantes Térmicos. Un material que es aislante térmico se tipifica por su alta resistencia térmica en donde entabla una barrera al paso de calor entre dos medios, que en condiciones normales los dos medios tenderían a equilibrar la temperatura. Se considera que son aislantes térmicos específicos aquellos que tiene una conductividad térmica, λ < 0,08 W/m·°C. Uno de los mejores aislantes térmicos es el vacío, en el que el calor sólo se trasmite por radiación, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vacío se emplea en muy pocas ocasiones. “El comportamiento de los aislantes térmicos en los edificios es clave para alcanzar los objetivos de ahorro energético” [14] de igual manera en las sondas espaciales se emplean aislantes para alcanzar la temperatura que brinda el funcionamiento ideal de los componentes electrónicos que se encuentran en el. 15.

(16) interior de la misma, además el empleo de aislantes térmicos da una gran eficiencia energética y optimo uso de la misma. “Mejorar el rendimiento de las instalaciones térmicas, ya que el aislamiento evita la perdidas energéticas en las redes de distribución haciendo que mejore el rendimiento de los equipos con el consiguiente ahorro” [15], de esta manera podemos ser más eficientes en el uso de las energías empleadas para la calefacción del ambiente interno de la sonda y garantizar la temperatura.. 2.2. Marco Teórico. 2.2.1 Estructura vertical de la atmosfera La atmosfera se divide en 4 regiones muy importantes las cuales son: . Troposfera. La troposfera es una región atmosférica muy importante ya que esta contiene el 75% de la masa total de la atmosfera, en esta se presentan los fenómenos meteorológicos y biológicos más importantes, además se caracteriza por que a medida que su altura incrementa la temperatura decrece y los vientos son cada vez más intensos, pues su temperatura aumenta a razón de 6.5°C/km en una atmosfera húmeda y 10°C/km en una atmósfera seca y el viento alcanza valores de hasta los 10km[16]. . Estratosfera. Esta región atmosférica se caracteriza porque su temperatura incrementa uniformemente según la altura, esta región inicia desde los 15 km y termina a los 50km, además no presenta fenómenos meteorológicos, no presenta nubes y los vientos decrecen a mayor altura , otra característica importante es que “en la baja estratosfera (hasta los 25 km) la temperatura aumenta gradualmente o se mantiene constante; arriba de este nivel la temperatura aumenta hasta alcanzar valores en el rango de 10 a 15°C”[16]. . Mesosfera. 16.

(17) Esta región inicia en el kilómetro 50 y termina en el kilómetro 90, se encuentra ubicada justo encima de la estratosfera y se caracteriza porque puede alcanzar una temperatura mínima hasta de -90°C en la mesopausa, una región característica por presentar las temperaturas más bajas de la mesosfera debido a las radiaciones solares y terrestres, además cerca del kilómetro 70 presenta grandes corrientes de viento en invierno, las cuales pueden alcanzar hasta los 300 km/hr[16]. . Termosfera. Esta es la última región de la atmosfera e inicia en el kilómetro 90, se caracteriza porque a mayor altura la temperatura empieza a incrementar desde -90°C hasta los 1200°C estas temperaturas tan altas son debidas a que a partir de los 200km predomina el oxígeno atómico y a la radiación electromagnética solar, además “se observa una gran disociación de los principales constituyentes, N2 y O2” [16].. 2.2.2 Sistemas de control térmico. Con sus siglas en inglés (TCS- Thermal Control System) es el encargado de mantener todos los componentes internos de la nave en buen estado ya que muchos de sus componentes no son diseñados para misiones espaciales, pues la gran mayoría han sido elaborados con un propósito terrestre y por tal motivo no soportan las temperaturas del espacio como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. 17.

(18) Tabla 1. Temperatura mínima y máxima de algunos equipos electrónicos [2]. Por lo tanto el TCS se encarga de mantener la nave o el dispositivo espacial con una temperatura óptima para su funcionamiento[2].. 2.2.3 Control térmico pasivo “El control térmico pasivo es el que se realiza por medio de elementos que no tienen movimiento ya que no consumen electricidad y no se les puede aplicar ningún procedimiento de control. Pueden utilizarse en procesos en los que el calor se transmite por radiación, tanto en el interior del sistema espacial como en intercambios con el exterior, y en aquellos en los que el calor se transmite por conducción dentro del sistema.”[2]. . Aislante térmico:. “Los aislantes térmicos sirven para reducir el flujo de calor que se transmite por unidad de área entre dos medios, o para incrementar el gradiente de temperatura necesario para que dicho flujo se produzca”[2]. . Manta térmica:. “Se utiliza normalmente el término “manta térmica” (“thermal blanket”) para referirse a aislamientos radiactivos multicapa que son flexibles y se adaptan a la forma de la superficie que protegen”[2].. 18.

(19) . Caloducto:. “Un caloducto o tubería térmica (“heat pipe”) es un dispositivo inventado en 1964 y constituido básicamente por un tubo sellado y un fluido bifásico contenido en su interior”[2]. El cual se encarga de disipar calor en forma de vapor ya que hace uso de diferentes fluidos como el etanol, agua o nitrógeno. . Radiador:. “Los radiadores son unos paneles especiales diseñados para disipar calor por radiación”[2]. Haciendo uso de diferentes materiales con propiedades de conducción térmica.. 2.2.4 Intercambiadores de calor: “Los intercambiadores de calor (“heat exchangers”) son dispositivos en los que se transfiere calor entre dos fluidos que están a diferente temperatura. Los fluidos pueden entrar en contacto para que se produzca la transferencia térmica o bien ésta puede realizarse a través de una superficie sólida que separa a ambos. Los primeros se llaman de contacto directo y los segundos de contacto indirecto” [2].. 2.2.5 PWM También conocido como modulación por ancho de pulso con sus siglas en inglés (PulseWidth Modulation), la cual se caracteriza por modificar en ciclo de trabajo o ciclo útil de una señal rectangular o senoidal de cierta frecuencia ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o variar la cantidad de energía que se le suministra a una carga. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período [17].. 2.2.6 Efecto Peltier El efecto Peltier consiste en lo siguiente: Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura,. 19.

(20) se produce un efecto cual consiste en absorber calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C. Este fenómeno se aprovecha con más auge a través de las llamadas células Peltier: Alimentando una de estas células Peltier, se establece una diferencia de temperatura entre las dos caras de la célula Peltier, esta diferencia depende de la temperatura ambiente donde este situada esta, y del cuerpo que queramos enfriar o calentar [18].. 2.2.7 Comunicación SPI (Serial Periferical Interface) “SPI es un bus de tres líneas, sobre el cual se transmiten paquetes de información de 8 bits. Cada una de estas tres líneas porta la información entre los diferentes dispositivos conectados al bus. Cada dispositivo conectado al bus puede actuar como transmisor y receptor al mismo tiempo, por lo que este tipo de comunicación serial es full dúplex. Dos de estas líneas trasfieren los datos (una en cada dirección) y la tercer línea es la del reloj. Algunos dispositivos solo pueden ser transmisores y otros solo receptores, generalmente un dispositivo que tramite datos también puede recibir”.. Uno de los más claros ejemplos es un EEPROM, el cual es un dispositivo que puede transmitir y recibir información. Los dispositivos conectados al bus son definidos como maestros y esclavos. Un maestro es aquel que inicia la transferencia de información sobre el bus y genera las señales de reloj y control [19].. 20.

(21) 3. Metodología. La metodología del presente proyecto se divide en cuatro partes: 1. Regulación y abastecimiento energético, 2. Control térmico del vehículo, 3. Almacenamiento de datos, 4. Batería de respaldo. 3.1 Regulación y abastecimiento de energía En el abastecimiento energético nos basamos en las fuentes conmutadas o también conocidas como buck, pues al ser un dispositivo aeroespacial debe ser lo más liviano y ahorrar la mayor energía posible, es por ello que en este proyecto se hace uso de una batería lipo de 4 celdas (14.8 voltios) a 8000 mAh amperios hora, es decir si el dispositivo consume los 8 amperios durante una hora se agotaría la batería totalmente, la cual le da la energía suficiente al vehículo durante sus 3 horas de vuelo, pues el consumo promedio del vehículo es de 3 amperios por hora, además se implementaron los módulos de fuentes conmutadas MP1584 como el que se observa en la Figura 1.. Figura 1 Módulo MP1584 [20] Pues en anteriores ocasiones antes de tomar la decisión de usar el módulo MP1584 se hicieron varios diseños de fuentes conmutadas reductoras como la que se muestra en la Figura 2.. 21.

(22) Figura 2.Diseño fuente reductora a 5v Fuente: Los autores Las cuales no pudieron ser implementadas en el vehículo debido a su gran tamaño y peso que afectaban las condiciones aéreas del mismo, por ello se optó por usar el módulo MP1584, el cual se caracteriza por tener un tamaño muy reducido y ser muy liviano, pues su dimensiones son las que se observan en la Figura 3.. Figura 3. Dimensiones módulo MP1584 [20]. 22.

(23) Este dispositivo se caracteriza por convertir voltajes entre 4.5 y 28v a voltajes menores en un rango de 0.8 y 18v, además soporta corrientes de hasta 3 A y tiene una eficiencia hasta del 92% y la Temperatura de operación está entre -40°C y +85°C [20].. Al hacer uso de estas fuentes conmutadas presentan una mayor eficiencia ya que no se habrá desperdicio de energía a diferencia de los reguladores lineales que normalmente son usados, ya que estas reducen el voltaje pero el restante lo disipan en forma de calor, desperdiciando una gran cantidad de potencia, lo cual no se quiere en nuestro vehículo ya que la energía debe ser ahorrada y debe durar toda la misión.. El MP1584 es un circuito integrado con diversas funcionalidades pero una de las funciones más comunes es la de fuente reductora, ya que internamente contiene los transistores encargados de hacer el switcheo y además se encarga de generar una frecuencia por medio de una resistencia de configuración que debe ser implementada en uno de sus pines, por esto su uso más común es como fuente reductora pues solamente se deben agregar unos pocos elementos exteriores para obtener una fuente conmutada.. El diagrama circuital que usa el módulo MP1584 que se muestra en la Figura 1 es el que se puede observar a continuación en la Figura 4.. 23.

(24) Figura 4. Diagrama circuital módulo MP1584 [20] Como se puede observar en la figura el integrado MP1584 tiene una resistencia para configurar su frecuencia en el pin 6 el cual genera el switcheo del transistor que contiene internamente el integrado, haciendo que la bobina se cargue con un voltaje el cual se ve reflejado en la carga.. El valor de la resistencia para configurar la frecuencia del integrado se calcula como se muestre en (1).. 𝑅𝑓𝑟𝑒𝑞 (𝐾𝛺) =. 180000 [𝐹𝑠 (𝐾𝐻𝑧)]1.1 ( 1). El voltaje de salida se puede calcular de la siguiente manera puesto que a la salida cuenta con dos resistencias que se encuentran conectadas al pin 4 de realimentación, en el caso de nuestro modulo cuenta con una resistencia variable y una fija para que de esta forma el usuario pueda acomodar el voltaje a su conveniencia esto se puede hacer por medio de las ecuaciones (2) y (3), la ecuación (2) hace referencia al voltaje de retroalimentación o Vfb y (3) el voltaje de salida.. 𝑉𝐹𝐵 = 𝑉𝑜𝑢𝑡. 𝑅2 𝑅2 + 𝑅1 ( 2). 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐹𝐵. 𝑅2 + 𝑅1 𝑅2 ( 3). Y el valor de la bobina se calcula con la ecuación (4). 𝐿1 =. 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 ∗ (1 − ) 𝑓𝑠 ∗ ∆𝐼𝐿 𝑉𝑖𝑛 ( 4). 24.

(25) Pero como se observa en la figura 1 este módulo ya trae una bobina fija de fábrica que es de 4,7uH o 8,2uH como se observa en la figura 4.. Para el vehículo estratosférico Sabio Caldas II se hará uso de dos fuentes conmutadas teniendo en cuenta que se necesitaban dos voltajes diferentes para alimentar cada uno de los módulos de esta misma, pues se hizo uso de uno para generar una tensión de 5v y otro para generar 12v, donde los 5 voltios son para alimentar los micro controladores que posee el vehículo y los 12 voltios son para los módulos de navegación y trasmisión de video.. Además en el abastecimiento energético de la parte de control térmico se hizo uso de un regular lineal teniendo en cuenta que los módulos MPQ1584 no soportan corrientes tan altas como las que hace uso las celdas de Peltier, además este sistema de calefacción solo se activara cuando se encuentre por debajo de una temperatura establecida en el programa del micro controlador, por ello hicimos uso de un regulador TIP102 que solo se usara cuando el sistema de calefacción este activo generando una disipación de calor tanto en la celda como en el regulador ayudando al control térmico de la misma. 3.2 Control térmico del vehículo Para el control de temperatura dentro de la sonda se platearon diferentes tareas necesarias para cumplir este objetivo como; sensado de temperatura, generación de calor y encendido y apagado del sistema para ahorro de energía. Después de haber definido lo anterior, el paso a seguir fue seleccionar los dispositivos electrónicos, hardware y software que mejor se acomodaban para la realización de estas tareas. Para el sensado de la temperatura se decidió usar un sensor PT100 son un tipo específico de detector de temperatura RTD (detector de temperatura por resistencia) cuya característica es su material de fabricación (platino) que le brinda precisión al momento de medir temperatura, el sensor se usará conectado con un integrado MAX31865 encargado de amplificar su señal y de comunicarse por interfaz SPI con la. 25.

(26) tarjeta Raspberry Pi 3 la cual fue elegida como controlador del circuito de control térmico que también incorpora un circuito de calefacción con una Celda de Peltier.. Se determinó utilizar el sensor PT100 para el sensado constante de temperatura ya que funciona mejor a bajas temperaturas como las que se perciben en el espacio exterior, para su implementación se usó el método de conexión de 3 hilos que es el más común y cuyo sistema de medición se basa en el circuito “puente de Wheatstone”, el sensor PT100 recibe su nombre debido a su patrón de comportamiento que consiste en tener una resistencia de 100 a una temperatura de 0 °C, comparado con termistores NTC/PTC es más estable y preciso y ha sido usado en la industria debido a su repetitividad y estabilidad.. Con el objetivo de usar las cualidades anteriormente mencionadas se usó un circuito amplificador MAX31865 diseñado para leer resistencias bajas, además de poder ajustar automáticamente las resistencias de los cables del sensor conectado. El circuito MAX31865 implementado en este proyecto se puede ver a continuación en la Figura 5.. Figura 5. Módulo amplificador MAX 31865[21]. 26.

(27) Este circuito integrado incorpora un conversor análogo-digital (ADC) capaz de enviar y recibir datos de cualquier micro controlador, que en el caso de este proyecto se empleó una tarjeta Raspberry Pi 3, por medio de comunicación SPI, el circuito también incluye una resistencia de 430 como resistencia de referencia a la salida. En la Figura 6 mostrada a continuación se puede observar el módulo con el sensor PT100 implementado, por defecto el módulo funciona con un sensor de 4 hilos, para el proyecto se configura mediante un cortocircuito en dos de sus terminales para hacer uso del funcionamiento de un sensor de tres hilos.. En la Figura 6 también se observa el MAX31865 conectado vía SPI al micro controlador Raspberry Pi 3, para ello se realizó una conexión de la siguiente forma; pin de alimentación de 3.3V (voltaje de alimentación del módulo), un pin de tierra, y los pines de MOSI (Master Out Slave In-Salida de datos), MISO (Master In Slave Out-Entrada de datos), CS0 (Chip Select 0-Usado para dar inicio a la comunicación) y SCLK (SPI Clock pin- Pin de reloj).. 27.

(28) Figura 6. Módulo MAX 31865 conexiones completas.. Los datos que llegarán al micro controlador serán procesados por un programa escrito en Python que incluye la librería del módulo MAX31865 cuyo funcionamiento se basa en leer el dato de 15 Bits que arroja el ADC del módulo y convertirlo a temperatura según su valor, en el código se incluyen excepciones en caso de que hayan fallas en las conexiones o algún fallo en el hardware. En la figura 7 podremos observar el circuito esquemático para poder entender más a fondo el funcionamiento del circuito integrado usado en el proyecto.. Figura 7. Circuito esquemático MAX31865 [21]. Es importante que la temperatura en el vehículo espacial sea óptima para que el funcionamiento de los dispositivos electrónicos utilizados funcionen de manera eficaz por esto se utiliza una celda de peltier para generar calor dentro del vehículo de ser necesario, al aplicar una diferencia de potencial sobre la célula, se producirá una cesión de calor por unidad de tiempo en la cara caliente y una de absorción en la cara fría. Como lo que se quiere es generar calor dentro del vehículo de ser necesario, se deja la cara caliente dentro del vehículo con un ventilador para evitar sobrecalentamientos y. 28.

(29) también esparcir el aire caliente por todo el vehículo ya que este está completamente sellado para conservar calor y evitar daños por elementos como el agua, de manera experimental se obtuvo que la temperatura que puede llegar a alcanzar la cara caliente de la celda es de 48°C estando alimentada con 12V y con un consumo de corriente de 2A. Para evitar el consumo excesivo de energía se implementó un sistema de control para la calefacción. Por medio del sensado constante de temperatura con la tarjeta de programación Raspberry Pi 3 y el PT100 se crea unas condiciones las cuales consisten en que si la temperatura baja de cierto límite (2C para el caso de las pruebas realizadas) se genera un PWM el cual enviara una señal de voltaje a un circuito electrónico que está conformado por un transistor de potencia TIP 102 y este a su vez activa el módulo de la calefacción.. En este caso a partir del efecto peltier cuyo concepto se había explicado previamente e implementamos para nuestro proyecto un montaje común como el que se puede observar en la Figura 8, para el caso de nuestro proyecto hicimos uso de dos disipadores y como separador usamos una lámina de acrílico que es el material que utilizamos para realizar la cubierta del proyecto y realizar las pruebas del mismo, en el apartado de resultados del presente documento se puede observar el resultado de este montaje.. 29.

(30) Figura 8. Montaje común Celda de Peltier [22]. 3.3 Almacenamiento de datos Cada una de estas partes antes mencionadas van unidas con almacenamiento de datos pues el proyecto se basa en un micro controlador encargado de capturar la información entregada por cada uno de los sensores que van conectados a sus entradas y hacer la respectiva conversión para finalmente almacenarla en un dispositivo extraíble que está guardando datos constantemente para no tener pérdidas de la información durante el vuelo. El código de programación escrito por los autores incorpora la funcionalidad de guardar datos en un archivo de texto plano, los datos a guardar en un principio serán información de fecha y hora, valor del conversor análogo digital (ADC), valor de resistencia del sensor PT100 y temperatura como se muestra en la Figura 9. 30.

(31) Figura 9. Toma de datos en micro controlador. 3.4 Batería de respaldo. Este módulo surge como una novedad en la segunda versión de la Sonda Sabio Caldas y está enfocado en ayudar a ubicar el vehículo fácilmente una vez se dé por finalizada la misión principal, se buscó aprovechar la energía solar teniendo en cuenta que la misión es al aire libre y que se hace posible aprovechar estas condiciones.. Para la implementación del módulo se hará uso de un panel solar liviano que está fabricado con materiales resistentes al aire libre y tiene unas dimensiones de 160x138x2.5 mm, este panel posee alta eficiencia de transformación de energía solar, su voltaje regular de trabajo es de 6V pero en condiciones ideales de cielo despejado y adecuada luz solar puede alcanzar una tensión pico de 10V.. 31.

(32) Este panel será el encargado de cargar una batería ultra liviana (50 gr) de polímeros de litio de una sola celda con un voltaje nómina de 3.7V-4.2V que a su vez estará conectada al módulo de geo posicionamiento y luces leds (strobers) que se planean poner en la parte exterior del vehículo para facilitar su ubicación desde el aire, debido a que la intención es que el módulo funcione durante 24 horas el panel está pensado para estar cargando la batería constantemente mientras esta brinda la función de alimentar los módulos mencionados.. Para que el panel solar cargue la batería mientras esta se está usando decidimos implementar un cargador solar para baterías de litio de la empresa Adafruit cuyo funcionamiento resulta sencillo y adecuado para implementar en el proyecto, este cargador es de tamaño reducido, incluye una entrada DCIN para conectar el panel solar, inicia la carga cuando el panel se expone a luz solar e incorpora un puerto BATT al que se conecta la batería mediante un cable JST de dos pines y una salida LOAD que permite utilizar la batería al mismo tiempo que se está cargando. La conexión típica puede observarse en la Figura 10.. 32.

(33) Figura 10. Instalación panel solar con cargador y batería. El cargador incluye led’s de estado para saber cuándo el sistema está encendido, cuando está cargando la batería y cuando la batería se encuentra totalmente cargada en la Figura 11 y Figura 12 se podrá apreciar respectivamente una vista general del cargador, sus dimensiones y sus componentes, y cómo el cargador hace uso de la función “Load sharing” que es el modo en que el cargador carga la pila al mismo tiempo que permite hacer uso de su energía, en caso de que la energía que requiera la carga conectada sea mayor a la que provee la batería el cargador pasa a suministrar la carga del panel mientras continúa cargando la batería al mismo tiempo.. 33.

(34) Figura 11. Cargador solar para batería de Litio[23].. Figura 12. Sistema “Load sharing” del cargador solar [23].. 34.

(35) 4. Resultados. El prototipo final para el módulo de control de temperatura y abastecimiento de energía para este proyecto es el que se observa en la Figura 13, en la cual se pueden ver la pcb de los circuitos electrónicos utilizados y el sistema de calefacción incorporados en cubículo de acrílico para simular la ubicación de los módulos dentro del vehículo estratosférico.. Figura 13. Prototipo de módulo control de energía y temperatura. Para el módulo de temperatura se realizaron dos pruebas, la primera a temperatura ambiente con una duración de 56 minutos en donde se tomaron datos cada 10 segundos del tiempo transcurrido y de la temperatura registrada, esta prueba se utilizó para probar la estabilidad de los módulos, se tomó un tramo aproximadamente de 34 minutos para realizar una gráfica de temperatura vs tiempo que puede ser observada en la Figura 14, donde se muestra la estabilidad en los resultados y además de esto es importante. 35.

(36) resaltar que durante la prueba no se presentó ninguna falla de recalentamiento, caídas del sistema o similares.. Temperatura(Y) VS Tiempo(X) 30.000 25.000. 24.921 24.921 24.921 24.887 24.887 24.853 24.853 24.819 24.819 24.785 24.785 24.785 24.785 24.785 24.785 24.752 24.752 24.752 24.752 24.718 24.718 24.718 24.718 24.650 24.650 24.650 24.616 24.616 24.616 24.582 24.582 24.549 24.549 24.549 24.515 24.481 24.481 24.481 24.447 24.413 24.413 24.413 24.380 24.380 24.346 24.346 24.312 24.278 24.278 24.244 24.210 24.210 24.177 24.177 24.177 24.143 24.109 24.109 24.075 24.075 24.041 24.008 24.008 24.008 24.008 23.974 23.940 23.940 23.872 23.872 23.838 23.838 23.805 23.771 23.771 23.737 23.703 23.669 23.669 23.669 23.636 23.636 23.568 23.568 23.534 23.534 23.500 23.467 23.433 23.399 23.365 23.365 23.331 23.298 23.298 23.264 23.230 23.162 23.162 23.129 23.095 23.061 23.027 23.027 23.027 22.959 22.926 22.926 22.926 22.858 22.858 22.790 22.790 22.757 22.723 22.689 22.689 22.655 22.621 22.588 22.554 22.520 22.520 22.452 22.419 22.419 22.385 22.351 22.351 22.283 22.283 22.216 22.216 22.182 22.148 22.115 22.115 22.047 22.047 21.979 21.979 21.946 21.946 21.912 21.844 21.844 21.810 21.810 21.810 21.743 21.743 21.709 21.675 21.641 21.608 21.574 21.540 21.540 21.506 21.506 21.439 21.439 21.405 21.405 21.371 21.337 21.337 21.337 21.304 21.304 21.270 21.236 21.202 21.202 21.135 21.135 21.101 21.067 21.067 21.067 20.999 20.999 20.999 20.999 20.999 20.999 20.966 20.966 20.966 20.932 20.898 20.797 20.695 20.628 20.526 20.526 20.000 15.000 10.000 5.000. 1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 113 120 127 134 141 148 155 162 169 176 183 190 197. 0 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000. Temperatura. Tiempo. Figura 14. Gráfica temperatura Vs tiempo a temperatura ambiente. La segunda prueba se realizó con una duración de 10 minutos y en esta se hizo un cambio en la temperatura probando así el circuito a una temperatura menor a los 0C con la intención de probar el circuito de calefacción, como se puede observar en la Figura 15, la temperatura se elevó y se mantuvo estable durante el resto de tiempo cumpliendo así el objetivo trazado.. 36.

(37) Temperatura (Y) VS Tiempo(X) 25 20 15 10 5 0 -5. Figura 15. Gráfica temperatura Vs tiempo a temperatura bajo 0C. En las figuras anteriormente mencionadas se puede observar que la temperatura se mantuvo siempre en un rango óptimo para el buen funcionamiento de los dispositivos electrónicos.. Para garantizar los tiempos determinados en los objetivos del proyecto se tuvo como base, los consumos reportados en la versión anterior de la Sonda Sabio Caldas que demostraron que después de implementados todos los módulos se puede obtener un tiempo como el que estipulamos inicialmente. Referente a la batería de respaldo se hicieron los cálculos basados en los consumos de un módulo GPS estándar y de strobers normales utilizados en la industria cuyos consumos de corriente en general no son muy elevados y teniendo en cuenta que la batería se va a estar cargando constantemente no se va a generar incidencia alguna en este aspecto.. 37.

(38) 5. Conclusiones y recomendaciones Del anterior proyecto se obtuvieron varias conclusiones y recomendaciones para futuros trabajos que se relacionen con esta área, pues a medida que se fue elaborando este módulo se presentaron varios inconvenientes que sirvieron para poder realizar mejoras y obtener un buen resultado final. Podemos concluir después de haber usado otro diseño que fue mejor la implementación de fuentes conmutadas tipo buck comerciales ya que presentan mejores condiciones de peso y tamaño para proyectos aeroespaciales, además que si se quiere es posible optimizar el peso total del vehículo incorporando una batería de menos celdas ya que no se necesita un voltaje tan alto para cumplir los objetivos del proyecto. Las siguientes recomendaciones son para futuros proyectos relacionados en esta área. . Tener en cuenta el peso máximo que soporta el vehículo.. . En proyectos de este tipo hacer uso de los dispositivos lo más liviano posible para no afectar las condiciones de vuelo del mismo.. . Hacer uso de baterías lipo ya que presentan menor peso y mayor eficiencia que otro tipo de baterías.. . Buscar otras soluciones para el sistema de calefacción ya que las celdas de peltier necesitan de un sistema de disipación que alteran las condiciones de peso del vehículo.. . El uso de energías alternativas como los paneles solares le agrega grandes avances a este tipo de proyectos y su relación costo/beneficio es bastante conveniente.. 38.

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