Microgeneración y almacenamiento de energía para sistemas autónomos de sensado

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(1)Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Campus Ciudad de México. Microgeneración y almacenamiento de energía para sistemas autónomos de sensado. ITSE Diego A Rodríguez Aldape ITSE Jorge A Delgado Hernández. Asesor: Dr. Rogelio Bustamante Proyectos de Ingeniería -. •. TECNOLÓGIOO. DE MONTERREY. Biblioteca. Ca111pu~. C1uui!d de ll!Mxk:O. Noviembre de 2012.

(2) Índice de capítulos Capítulo 1 Aspectos generales 1.1 lntroducción ................................................................................................................................6 1.2 Metas ...........................................................................................................................................7 1.3 Objetivo general ........................................................................................................................8 1.4 Objetivos particulares ...............................................................................................................8 1.5 Metas alcanzadas ......................................................................................................................9. Capítulo 2 Antecedentes 2.1 Introducción al Tema ..............................................................................................................10 2.2 Energía ......................................................................................................................................12 2.3 Sensores lnalámbricos ............................................................................................................14 2.4 Proyecto Previo ...................................................................................................................... 16. Capítulo3 Estado del Arte 3.l lntroducción .............................................................................................................................19 3.2 Microgeneradores Experimentales ....................................................................................... 19 3.3 Microgeneradores de Energía Comerciales ......................................................................... 20 3.4 Dispositivos Piezoeléctricos y Piezocerámicos ....................................................................20 3.5 Dispositivos Termoeléctricos .................................................................................................29 3.6 Microcontroladores .................................................................................................................32 3.6 Módulos Bluetooth ..................................................................................................................33 3. 7 Medios de Recolección ...........................................................................................................38. 4.

(3) Capítulo 4 Diseño y desarrollo del sistema. 4.l lntroducción .............................................................................................................................50 4.2 Diseño piezoeléctrico ..............................................................................................................50 4.3 Diseño termoeléctrico ............................................................................................................51 4.4 Desarrollo piezoeléctrico .......................................................................................................52 4.5 Desarrollo termoeléctrico .......................................................................................................65 4.6 Desarrollo del cosechador piezoeléctrico ............................................................................70 4.7 Desarrollo del cosechador termoeléctrico ..........................................................................71 4.8 Desarrollo de módulo de comunicación ...............................................................................73 4.9 Acoplamiento de los sistemas ...............................................................................................81. Capítulo 5 Análisis de resultados 5.1 Análisis de resultados .............................................................................................................85. Anexos Anexo A Máquinas eléctricas ......................................................................................................87 Anexo B Detalles del piezoeléctrico ...........................................................................................95 Anexo C Código del microcontrolador ........................................................................................98. Acrónimos ....................................................................................................................................102 Glosario ........................................................................................................................................104 Bibliografía ..................................................................................................................................105. 5.

(4) Capítulo 1: Aspectos generales. 1.1 Introducción Los cosechadores de energía, "Energy Harvesters", son una serie de productos y materiales que nos permiten capturar la energía del medio ambiente y convertirla en energía eléctrica utilizable. Esta energía "libre" puede existir en varias formas y se puede obtener de diferentes fuentes. Generalmente se les puede encontrar en forma de energía térmica, solar, eólica y mecánica. Sin embargo, estas fuentes de energía proveen una potencia mínima, lo cual dificulta su uso para cualquier aplicación práctica. Actualmente existe la tecnología necesaria para capturar, acumular, almacenar, acondicionar y administrar de forma eficiente la energía generada por estos dispositivos [A].. Figura 1. Celda solar con componentes orgánicos [1].. El interés en la investigación y desarrollo de estos dispositivos se debe al aumento de sistemas electrónicos. Estos sistemas abarcan un gran abanico de aplicaciones que van desde las aplicaciones civiles hasta las militares. Esta tecnología se suele aplicar en. 6.

(5) dispositivos inalámbricos, por ejemplo: sensores inalámbricos desplegados en sitios remotos donde usar pilas o una conexión directa a la red eléctrica es ineficiente o impráctico. En este proyecto se tiene contemplado construir un sistema de adquisición de datos autónomo alimentado con cosechadores de energía. Se investigará qué microgeneradores de energía están disponibles para la compra, y los que se compren serán sometidos a un proceso de caracterización. También se procederá a comprar la electrónica necesaria para almacenar y suministrar la energía cosechada. Al final, todas las partes del proyecto se integrarán para formar el sistema autónomo final.. 1.2 Metas Construir un sistema de adquisición de datos inalámbricos que haga uso de los microgeneradores de energía. El sistema debe de ser capaz de recolectar la energía que existe a su alrededor, almacenarla, y llegado el momento, regular la energía que entrega al sensor ya sea de temperatura o cualquier otro, para que este pueda tomar las mediciones correctas. Además, debe de guardar la suficiente energía para activar el transmisor inalámbrico del sistema y enviar de forma periódica la información recolectada por el sensor.. ..... .... Cosechador piezoeléctrico. Convertidor (AC/DC) y módulo de almacenamiento. Módulo de comunicación Microcontrolador de Convertidor (DC/DC) y módulo de Cosechador. inalámbrico. ultra bajo consumo de energía. almacenamiento. termoeléctrico. Figura 2. Diagramas generales del sistema de cosecha de energía, control y módulo de comunicación. 7.

(6) Figura 3. Sensor inalámbrico de baja potencia [2].. 1.3 Objetivo general Demostrar que los microgeneradores de energía son una alternativa viable y ecológica para aquellos sistemas con un consumo mínimo de potencia en el orden de los miliWatts (mW), dado que las fuentes de energía tradicionales para estas aplicaciones pueden resultar ineficientes y extremadamente costosas.. Figura 4. Cosechador de energía piezoeléctrico [3].. 1.4 Objetivos particulares •. Investigar los dispositivos cosechadores de energía disponibles en el mercado, ventajas y desventajas.. •. Adquirir los cosechadores considerando el costo beneficio.. •. Caracterizar los cosechadores adquiridos.. •. Adquirir el equipo necesario para capturar, acumular, almacenar, acondicionar y administrar de forma eficiente la energía generada.. 8.

(7) •. Basándonos en los resultados, diseñar un sistema autónomo que se acople a las características de nuestro cosechador.. •. Investigar, adquirir y utilizar un microcontrolador que sea de baja potencia "Low power", realizar pruebas y tener un programa final.. •. Adquirir un sistema de comunicación inalámbrico punto a punto y realizar su configuración necesaria para poder transmitir.. •. Construir el sistema final y caracterizarlo.. 1.5 Metas alcanzadas •. Se reprodujeron, verificaron e hicieron nuevas pruebas al módulo piezoeléctrico.. •. Se caracterizó el cosechador termoeléctrico.. •. Se probó un sistema inalámbrico punto a punto.. •. Se diseñó y construyó un sistema de almacenamiento de energía para el dispositivo piezoeléctrico.. •. Diseñamos y construimos un sistema de almacenamiento de energía para el dispositivo termoeléctrico.. •. Se adquirió y se estudió un microcontrolador de bajo consumo energético.. •. Se programó al microcontrolador y a la vez se alimentó con el medio de almacenamiento tanto del cosechar termoeléctrico como el del piezoeléctrico.. •. Se adquirió y se estudió un módulo de Bluetooth.. •. Se acopló el sistema completo (microgenerador, sistema de almacenamiento, microcontrolador y módulo Bluetooth).. •. Se programó el módulo de Bluetooth para la transmisión de datos. •. Se logró cargar mediante el microgenerador una batería para poder transmitir los datos de manera inalámbrica.. 9.

(8) Capítulo 2: Antecedentes. 2.1 Introducción. El término energía tiene diversos significados según el área de conocimiento, aunque generalmente se le relaciona con la capacidad de mover, transformar u obrar. Según la física, se le define como la capacidad de realizar un trabajo. Se le llama potencia cuando este trabajo se realiza durante un determinado intervalo de tiempo. Según el sistema internacional de unidades, la unidad de energía es el Joule (J). Dimensionalmente se cumple que un Joule equivale a un Newton por metro {[N]*[m]), el cual se define como el trabajo realizado por una fuerza a lo largo de un metro.[B]. La energía está presente de diferentes formas y es posible transformarla, como por ejemplo, transformar la energía potencial en energía cinética. Lo anterior se sustenta en las leyes de la termodinámica, las cuales dicen lo siguiente:. •. 1ª Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.. •. 2ª Ley de la Termodinámica: La energía se degrada de forma continua en energía térmica. Lo que significa que en toda conversión de energía existe alguna parte de esa energía que se degrada y se pierde en forma de calor. [B]. Dado que la energía en sus diferentes formas se encuentra en todo nuestro alrededor, es posible considerarla como un recurso natural. La tecnología es aquella que nos posibilita almacenarla, explotarla y usarla. La energía nos permite satisfacer otras necesidades, pues es ésta la que nos permite obtener los recursos necesarios en nuestra vida. Según la forma en la que las fuentes de energía hacen uso de las materias primas para producir energía es que estas pueden ser clasificadas en energías renovables o no renovables. A continuación se muestra un pequeño listado de las mismas:. 10.

(9) Figura 5. Transformaciones de Energía. En la imagen anterior se muestran los diversos procesos para poder transformar diversas fuentes de energía, así como sus aplicaciones [4].. A) Fuentes de Energía Renovables. •. Energía Eólica .. • •. Energía Solar .. • •. Energía Geotérmica .. •. Energía Cinética .. •. Biomasa. Energía Hidráulica .. Energía Mareomotriz .. B) Fuentes de Energía No-Renovables •. Petróleo.. •. Energía atómica o nuclear.. •. Gas Natural. •. Carbón. 11.

(10) Figura 6. Energías Renovables [S].. 2.2 Energía Como se mencionó en la sección 2.1, existen fuentes de energía renovables y norenovables. Las fuentes de energía renovables se pueden sub-dividir en fuentes de energía convencionales y no convencionales. Por fuentes de energía convencionales podemos citar a la energía solar, eólica, geotérmica, etc. Las energías no convencionales son aquellas que hacen uso de los "Energy Harvesters", cosechadores de energía. La cosecha de energía, "Energy Harvesting", se enfoca en convertir en energía eléctrica utilizable la energía que nos rodea y que se encuentra en el medio ambiente, ya que de otra forma sería desperdiciada.. Otra forma en la cual se pueden separar las fuentes de energía renovables es según la cantidad de energía que producen. Las fuentes de energía renovables convencionales tienen la capacidad de generar potencias de salida del orden de los Mega Watts, siempre y cuando se usen en plantas de gran tamaño o en grandes arreglos de dispositivos, como por ejemplo: plantas hidroeléctricas, granjas solares y turbinas eólicas. Sin embargo las fuentes de energía renovables no convencionales son aquellas que suministran una potencia del orden de los mili Watts, ya que están enfocadas a otro tipos de aplicaciones. Mientras que las primeras aplicaciones alimentan sistemas de alta potencia, las últimas se. 12.

(11) enfocan en sistemas móviles y compactos, donde la cosecha de energía alimenta aplicaciones de bajo consumo y en donde otras fuentes de energía se vuelven ineficientes o imprácticas.. Con el aumento en el uso y necesidad de sistemas electrónicos portátiles e inalámbricos es necesario buscar una fuente de energía alterna, ya que las baterías no cumplen con las necesidades energéticas, de tiempo de vida y cuidado al medio ambiente. Es necesario encontrar una fuente de energía que nos permita deshacernos de la dependencia de las baterías; estás cuentan con un tiempo de vida limitado y están hechas con materiales peligrosos, lo que implica un costo extra el deshacerse de ellas. Las baterías no son una opción ecológica que pueda servir como fuente de energía para las aplicaciones del mañana, por ejemplo, aplicaciones de sensado inalámbrico; además hay que sumar los costos de mantenimiento y remplazo de dichas fuentes de energía. Lo ideal sería contar con una fuente de energía "autónoma", capaz de recolectar la energía a su alrededor, y por consiguiente, tener una vida útil superior.. Los cosechadores de energía cumplen con las condiciones anteriores. Por el momento, esta tecnología está limitada a las aplicaciones que cumplan con las siguientes características: •. Sistemas electrónicos de baja potencia, con la capacidad de entrar en estados de bajo consumo y reposo.. •. Sistemas de transmisión de radio frecuencia digital.. Las principales fuentes de energía para los cosechadores de energía son las siguientes: •. Química.. •. Térmica.. •. Piezoeléctrica.. 13.

(12) 2.3 Sensores Inalámbricos Un sensor es todo aquel dispositivo que produce una salida cuantitativa en respuesta a los cambios físicos o químicos a los cuales está expuesto. Lo sensores pueden medir las siguientes variables: •. Presión. •. Temperatura. •. Vibraciones. •. Sonido. •. Movimiento. Figura 7. Sensor Ultrasónico [6].. Los sensores inalámbricos son una tecnología emergente, en donde se incluye la microelectrónica, las telecomunicaciones y la computación. Estos sensores cuentan con memoria y una cierta capacidad de procesamiento para procesar los datos recolectados. También cuenta con una unidad de comunicación inalámbrica para transmitir y recibir información a través de las diferentes técnicas de modulación digital. El sensor se encarga de registrar una variable física o química y la convierte en una salida cuantitativa que entrega al transmisor inalámbrico por medio del microcontrolador. Por último se encuentra la fuente de energía, la cual suele ser una batería.. 14.

(13) Sensor. Interfax I/O. Memory Processor. Radio. Battery. Figura 8. Diagrama de Bloques de un Sensor Inalámbrico [7].. Estos dispositivos se suelen utilizar en las redes inalámbricas de sensores o en las redes inalámbricas malladas. Las primeras consisten en dispositivos autónomos, sensores que monitorean las variables físicas que se encuentran a su alrededor. Estos sistemas incorporan al menos un dispositivo coordinador, el cual se encarga de proveer la conectividad inalámbrica y al menos un dispositivo final, el cual es el sensor inalámbrico. Por el otro lado, las redes inalámbricas malladas consisten en clientes y routers, estos dispositivos crean una red inalámbrica del tipo multisalto. Estas redes se caracterizan por su dinamismo, y su capacidad de auto organización y configuración; los nodos, en este tipo de redes, se establecen de forma automática, con el objetivo de mantener la conectividad de la red. Además, estas redes pueden llegar a tener un bajo costo inicial y de mantenimiento, con una confiabilidad y robustez alta.. 1. C•Coordínador F=-OisposilivO Final. Figura 9. Esquema general de una red de sensores inalámbricos [8]. 1. Sensores Inalámbricos: Avances y Aplicaciones en Telemedicina. 15.

(14) Mesh Network Figura 10. Esquema general de una red inalámbrica mallada [9].. 2.4 Proyecto previo Existe un proyecto previo en el que nos basamos para comenzar. Se utilizó un sistema piezoeléctrico. El desarrollador de este proyecto previo fue el ingeniero Javier Hernández, el cual utilizó un dispositivo piezoeléctrico para cosechar y. alimentar un sistema de. transmisión de datos inalámbricos por medio de un módulo de radiofrecuencia.. Estas pruebas que realizó el Ingeniero Hernández fueron exitosas, sin embargo la aplicación del sistema piezoeléctrico no se realizó con pruebas en un ambiente real, sin embargo sus resultados arrojaron que es posible cosechar energía (por un sistema piezoeléctrico) suficiente para poder alimentar un sistema de medición de variables así como su transmisor de radiofrecuencia.. Para ello los materiales que utilizó para la cosecha de energía fueron:. •. Piezoeléctrico modelo v21Bl marca "Midé".. •. Un sistema de cosecha miento de energía modelo EH300A marca "Linear Tech".. •. Microcontrolador PIC16LF8A.. •. Módulo de Radiofrecuencia TXM433LR a 433Mhz.. 16.

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(17) Capítulo3: Estado del Arte. 3.1 Introducción Para la mini y micro generación de energía podemos encontrar una diversidad de productos que se acomoden a la necesidad y desarrollo de una aplicación específica. Estos dispositivos se pueden encontrar con diferentes capacidades físicas como rango de frecuencia, temperatura, presión, diferentes sometimientos a la fuerza de gravedad. Cabe mencionar que no todos los dispositivos que encontramos son comerciales ya que algunos aún se encuentran en desarrollo o estado experimental, por lo que no se pueden adquirir, sin embargo en el mercado actual se encuentra una diversidad de dispositivos que cumplen con la función de micro generadores de energía, los cuales adquirimos para el desarrollo de la primera etapa de nuestro proyecto. 3.2 Micro-generadores experimentales. Dentro de los productos conocidos como piezocerámicos, encontramos que un ingeniero de la universidad de Southhampton llamado Steve Beeby quien desarrolló un microgenerador de energía de proporciones muy pequeñas (poco menor a 2 cm3), el cual genera voltaje por medio de vibraciones que se encuentra en el ambiente, suficiente para poder proporcionar potencia a sensores inalámbricos. [D]. Este piezocerámico está compuesto por magnetos que están pegados a una ménsula, los cuales al estar en movimiento por las vibraciones generan energía, también llamada energía electromagnética. Las dimensiones de este dispositivo son 7.00mm por 7.00mm por 8.50mm.. 19.

(18) Figura. 13 Piezocerámico [12).. 3.3 Dispositivos piezoeléctricos y piezocerámicos. Estos dispositivos destacan por obtener energía a partir de vibraciones, dado que su red cristalina interna generan energía dado el esfuerzo mecánico que se ejercer sobre él. Estas son algunas de las empresas que desarrollan estos dispositivos actualmente:. 3.4 Micro-generadores de energía comerciales. Estos dispositivos son lo que actualmente se encuentran en el mercado y como bien vimos, podemos encontrar dispositivos que funcionan bajo diferentes circunstancias. Sin embargo todos estos dispositivos cumplen con la misma finalidad, la generación de energía a través de diversos medios; temperatura, oscilaciones, esfuerzos mecánicos e incluso presión.. 3.4.1 MIDE Engineering Smart Technologies. La empresa MIDE provee de 6 tipos de piezoeléctricos, los cuales tienen diferentes características dependiendo de la necesidad, o de la aplicación a desarrollar. El rango de frecuencias depende del dispositivo, pero el rango general se encuentra desde los 26 hasta los 360Hz, de igual manera el tamaño del dispositivo varía.. 20.

(19) •. V20W.- Es un generador. de energía eléctrica, el cual convierte el esfuerzo. mecánico en forma de vibraciones, en energía eléctrica. El generador funciona en el rango de 75 a 175hz, y rango de potencia de lmW hasta 8.SmW (aproximadamente), además cuenta con una capacitancia de 0.2uF. Sus medidas en centímetros son: 5.08 x3.81x0.0762. El costo de este dispositivo (en paquete de dos) es de $87.SOdlls (mayo de 2012).. ó.2. U. U. 0/l. G,ltvelPeak RMS l9'sl. Figura. 14 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a diferentes frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [13). •. V25W.- Al igual que el modelo anterior convierte las vibraciones en energía. eléctrica, su rango de frecuencias para la generación de energía va de los 60hz hasta los 140hz, con un rango de potencia de O hasta 6.SmW (aproximadamente), con un ancho de banda de cosecha de 3hz, cuenta con una capacitancia de 0.33uF. Sus medidas en centímetros son: 5.08 x3.81x0.0508. Su costo es de $87.SOdlls (el paquete contiene 2 piezoeléctricos) (mayo de 2012). ---1001-1i ;. e .... --soHr: .;. ..L-~~.f.~:±...:::::=t..::::IJ G-1..evel Peak RMI (g's). Figura. 15 A) y B) respectivamente. Dispositivo piezoeléctrico y grafica de potencia contra fuerzas-g a diferentes frecuencias respectivamente [14). 21.

(20) •. V21B.- Este generador de energía, a diferencia de los dos modelos anteriores, tiene un área menor, dadas las dimensiones del dispositivo, así como la necesidad de anclar la base del piezoeléctrico a la base de quien proporcione las frecuencias. Su rango de frecuencia de operación va de los 80hz hasta los 205hz, con un rango de potencia de O hasta 6.lmW, tiene una capacitancia de 3 a 4nF. Sus medidas en centímetros son 6.96 x2.70x0.0812.EI costo del paquete de los piezoeléctricos es de $65.00dlls (mayo de 2012). 7. •• .,. 205Hz -••17&Hz. .. .. .. .. .. :. :. :. :. :. U. 1. 1.2. M. 1.9. 1 .... _.,. 150H2 .. ; ........ : .•...... ;........ ; ........ ;.... .. ··+- • 120Hz G .... _.,•100Hz .. ¡..... ¡. ....... ¡.....) ..... ;.. .. 1 ... .. l.2. 0.4. U. 1.9. 0-Level PHk RMS (g'sJ. Figura. 16 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a diferentes frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [15].. •. V21BL.- De la misma manera hay que anclar este dispositivo a la base del generador de las vibraciones, sin embargo tiene un rango de frecuencias más comunes, estas van de los 45hz hasta lSShz, rango de potencia de O hasta 10.SmW, contienen una capacitancia de 3-4nF. Sus medidas en centímetros son 9.14xl.70x0.0812. El costo del paquete es de$ 65.00dlls (mayo de 2012).. 22.

(21) 12. ..... 156Hz t - - r - - - r - - ~ - - - - , - - - r - ~ -•·120Hz 10 ..... -o- 100Hz ..;; ........ ;: ............. . ··+-·80Hl: :. -•·60Hz a ..... -+-soHz. f. r. :. --. :. 1. ! : .. ¡........ :........ :. :. :. :. :. ..... .. :. .. :. :. :. :. :. :. :. : ,i. 1 • ·······-¡--······¡···· ···¡·······-¡--··· ·:·····~;:~:-:r.~·:~ :. . : . ,,-.._- )•~· ;._,,, .... : ...............,.. :... _,,..: .... . .. 2. :.. '. _,,.,... . ··-· -~-- .... .......-~f-_......o--. '. .;. •.,4;..• -. ! ""'.- ~ .. - ~ ~ - - - :. ~H~-~---~ .. ;·•··'. i.2. 0.4. ;,..... 1". "'; ,..,... ,_.... ··........ w"'"';. ' ....• ~.; ... ,....:,.;...... ~~- ..... ; ........ !., .. _.. ,. 0.6. 0.8. 1. .. • .......... .~ ......... , 1 !. 1.2. 1.4. : !. 1.8. G-Lavel Peak RMS (g's). Figura. 17 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a diferentes frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [16].. •. V228.- Este piezoeléctrico no tiene las ranuras para anclar a la base del generador de vibraciones sin embargo este modelo es mucho más pequeño que los modelos anteriores, siendo uno de los dispositivos piezoeléctricos más pequeños. Su rango de frecuencia de operación es de 120hz hasta los 360hz, con un rango de potencia de salida de O hasta 180mW, con una cosecha de energía de 2Hz. Así como ser el más pequeño de esta clase de dispositivos y tener el menor peso. Sus medidas en centímetros son 3.556xl.7x0.063. Tiene una capacitancia nominal de 10.2nF y una máxima de 14.2nF. Su costo es de $50.dlls (mayo de 2012).. 180r-;::::::===::;---,--,.--,.- ~ r •••• 358Hz 160 .... -••259Hz. :. :. ,·. ····(············i··············t····_-;,·'····. i... .......... t:.~........ .. 1, 0 ..... --184Hz .... \ ............. -+- 119Hz : :. -i; t. _,.·,. 120 ·············~·········-----~·············~---·;,,•~-----~·······-·· 100 ...•......... L..........L.........,.t.: ......... .1 ......... . : :. :. : ;. .,........ :. :. 2. 2.5. ~ ;;:t¡;¡J~J~ijf~'~'.~; 0.11. 1.11. 3. 0-t.avel Peak RMS (g's). Figura. 18 A) y B) respectivamente. Gráfica de potencia contra fuerzas-g a diferentes frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [17].. 23. 1.8.

(22) •. V22BL.-. Sus características son muy similares al V22B, por lo que solamente. cambian su diseño (más alargado) y su rango de operación es de 26Hz hasta llOHz, con un rango de potencia de salida de O hasta 250mW (aproximadamente). Sus medidas en centímetros son 6.35x0.61x0.0635. El costo del paquete piezoeléctrico es de $50.00dlls (mayo de 2012).. 300,--:==:?:..-::...-:..,-r----,---~---, ··•· 109Hz. i. --44Hz. L ............ L. ...........L........· ,:: ' . :. -+- 27Hz. .. 2SO ..... -•·66Hz ..... i. 200 ........ !. .,V. ·····r·····.... -r········· ..r~:-;·--·: . :... ····. 1,50 ............. 1............ r··~·:;/··:-···· ·······t .... ·····;·. ::: ;:I:I:~I~~t:~~~. 1. U. 2. 2.0. G-Level Peak RMS (g's). Figura. 19 A) y B) respectivamente. Grafica de potencia contra fuerzas-g a diferentes frecuencias y dispositivo piezoeléctrico respectivamente [18).. 3.4.2 Advanced Cerametrics lncorporated. Esta empresa se dedica a la fabricación de dispositivos cosechadores de energía por medio de vibraciones para microelectrónica y circuitos de baja potencia. Uno de sus dispositivos es el Harvestor 111, el cual tiene componentes de pieza-fibras propietarios de ACl's, este dispositivo produce energía eléctrica para sensores, conexiones inalámbricas y circuitos de baja potencia dado que está enfocado en el rango de los miliwatts. Características importantes:· •. Produce una salida de 3 y 3.3V en corriente directa.. •. Los rangos de salida se encuentran entre los 30Hz hasta los 120Hz.. •. Cuenta con un capacitar como medio de almacenamiento de lmF (se puede configurar el dispositivo para obtener otra capacitancia).. 24.

(23) POWER HARVESTING/CHARGINCl PERFORMANCE capacitance: 1 mf. ecceter1Uon: 3 g. 'º. -H33. -H!IO. 15. ,o. ,.. Tirr:e{~. -H-110. -H='20. Figura. 20 A) y B) respectivamente. Dispositivo piezoeléctrico y grafica de voltaje contra tiempos de carga [19).. El costo de este dispositivo varía dependiendo de la necesidad de la aplicación, por lo que se tienen los siguientes precios. o. EH-3 (30Hz) $425.00dlls. o. EH-3 (60Hz) $389.00dlls. o. EH-3 (120Hz) $379.00dlls. o. EH-3 (220Hz) $ 399.00dlls. Costos estimados a mayo de 2012.. 3.4.3 Microstrain. Ellos cuentan con una serie de productos "harvesters" basados en la cosecha de vibraciones mecánicas, los cuales se dividen en dos clasificaciones, los piezoeléctricos convencionales y los electrodinámicos. A diferencia de los piezoeléctricos convencionales, los dispositivos electrodinámicos, funcionan a base de bobinas y magnetos que al momento de estar en movimiento producen una corriente eléctrica. Su tecnología se hace llamar PVEH "Harvester" (Piezoelectric Vibration Energy Harvester) y MVEH (Magneto lnductive Vibration Energy Harvester), dentro de las características descritas en las primeras líneas del producto según el fabricante, dice que puede trabajar. 25.

(24) a bajas y altas frecuencias, además de ser ideal para su colocación en maquinaria, cajas de cambio de velocidades y otras estructuras.. •. PVEH.- Tiene una altura de 4cm, puede producir una salida de 3.2V de corriente directa con una potencia de 30mW, aplicando una aceleración de 1.5g. Para la obtención de esta información se sometió el dispositivo a vibraciones de lkHz. Cuenta con un capacitar de 0.55F, el cual puede almacenar 1500mJ; su tiempo de carga es de 6 minutos. Normallzed PVEH Output Ver5U5 Frequency 100"•. -------. 1ao-·. mm. I. 'g. 6~.. t i ~-. ]o. d. 1 O"• ---..----..-----,---~990. 1000. 1010. 1020. 1030. F~q11fflcy (Hz). Figura. 21 A) y 8} respectivamente- Dispositivo piezoeléctrico y grafica de potencia de salida contra frecuencia [20).. •. MVEH. Su tamaño es de 6cm, y a gran diferencia del modelo anterior, este dispositivo trabaja a muy bajas frecuencias (desde 15 hasta 60Hz), cuenta con un súper capacitar para el almacenamiento de energía. Este dispositivo se puede ajustar para poder operar a diferentes frecuencias. Genera 4mW con una entrada de 20Hz, con un voltaje de salida de 3.2v corriente directa, el capacitar que se usa es 0.lF y tiene un tiempo de carga de 8.5 minutos a 18Hz, con una capacidad de almacenamiento de 330mJ. Una característica relevante es que cuenta con un convertidor "Buck/Boost", el cual permite tener una variación en el voltaje de salida.. 26.

(25) Normalized MVEH Output Versus Frequency. mm. 60. 30. 00. o-. ,. 16.25. 16.75. 17.25. 17.75. 18. 25. 18.75. Figura. 22 A) y B) respectivamente. Dispositivo piezoeléctrico y grafica de potencia de salida contra frecuencia [21].. 3.4.5 NOLIC. Esta empresa construye dispositivos a la medida, donde sus dispositivos se enfocan en las soluciones de baja potencia, lo que hacen estos dispositivos es convertir presión mecánica en energía eléctrica. Estos dispositivos se crean con un sistema multicapa, en donde se ponen delgadas capas de cerámica entre cada electrodo dentro del comprimido, generando energía para dispositivos de baja potencia. Tiene como ejemplo el siguiente dispositivo. •. Generador multicapa de medidas de Sx5x2 mm. •. Capas delgadas con un grosor de 67um.. •. Genera un energía de 12mJ. El medio de almacenamiento para la energía cosechada es un banco de capacitares, cuando el banco de capacitares alcanza un voltaje de 5.2V el modulo se activa y habilita la salida de voltaje. Cuando se alcanza ese voltaje de salida en el banco de capacitares, el. 27.

(26) mismo banco es capaz de entregar SSmJ, de la misma manera el circuito del banco de capacitares se vuelve a cargar cuando su voltaje decae a 3.lV, sin embargo el banco se desactiva mientras esté por debajo de los 5.2V. Las características más destacadas del banco son: •. Entrada de O hasta +/- SOOV. •. Corriente alterna o directa de 400mA.. •. Potencia máxima de entrada SOOmW.. •. Voltaje mínimo para iniciar la carga a 6v con SOOnA. •. Fijación interna de voltaje 7V a lOmA. •. Voltaje de Mantenimiento 3.lV. •. Energía promedio utilizable SSmJ. Especificaciones del dispositivo piezocerámico (recolección de energía por medio de dobleces). •. Peso de 10.4g. •. Una capacitancia de 232nF. •. Frecuencia de Resonancia de 52hz.. •. Voltaje de circuito abierto+/- 20.9V pico. •. Corriente de circuito cerrado de+/- 57uA/hz. •. Potencia de salida 7.lmW. •. Deflexión nominal +/- 2.6mm. 28.

(27) HARV[S"ílNG. cmcurr. +01--~ u;g,. -o¡--~+-.!. +. Figura. 23 A) y B) respectivamente. Dispositivo de almacenamiento y diagrama esquemático al ejercer fuerza sobre el dispositivo cosechador de energía genera una diferencia de potencial y la energía es almacenada en el banco de capacitares [22].. 3.5 Dispositivos Termoeléctricos Un generador termoeléctrico convierte directamente calor en electricidad. El calor induce la circulación de una corriente eléctrica al fluir desde la parte caliente a través del módulo termoeléctrico. Un. módulo termoeléctrico consiste principalmente. en sustratos de. cerámica y semiconductores tipo P y N. Estos son algunos de los dispositivos actualmente disponibles en el mercado:. 3.5.1 Marlow Industries, /ne. La empresa "Marlow Industries" se dedica a la creación de. dispositivos. termoeléctricos para diversas industrias como la espacial, defensa, industrial, automotriz, así como generación de energía y telecomunicaciones.. 29.

(28) •. NL1023T módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de 27°C en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 64ºC, proporciona una corriente máxima de 1.8A y un voltaje máximo de 8V.. Las. medidas de este módulo son de 13.16mm de altura, 13.16 mm de largo y 2.16 mm de. ~. LU. 60 tlO. ~ ...,. 40. §!. 20. 1-. ,~. 00. OO. .,. "',.,,. -. -. ,;_, ..-. .,., .. __,,,. -. ,. O4. O6. _,. O=O -;::. T=O. 1. 2. Hi. 2.0. CURRENT CAt.1PSJ. espesor y su precio es de $63.5 USD (mayo de 2012).. Figura. 24 A) y B) respectivamente. Dispositivo termoeléctrico y grafica de voltaje contra corriente [23).. •. SPS255-12ACM módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de 27°C en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 69ºC proporciona una corriente máxima de 1.9A y un voltaje máximo de 2.7V. Las medidas de este módulo son de 6.02mm de altura, 8.18mm de largo y 1.65mm de espesor y su precio es de $48.9 USD (mayo de 2012).. 3.0. 8 >. 2.0. ¡. !l. ~. 1.0. OA. ~8. 12. !~. 2~. cu...nt (:amps). Figura. 25 A) y 8} respectivamente. Dispositivo termoeléctrico y grafica de voltaje contra corriente [24).. 30.

(29) 3.5.2 Te Technology, /ne. Te Technology ofrece enfriadores termoeléctricos, para diferentes necesidades, además. de los enfriadores termoeléctricos ofrece sistemas de enfriamiento líquido. Sin embargo uno de sus fuertes es la creación de los sistemas peltier (termoeléctricos).. •. TE-65-0.6-0.8 módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de. 27ºC en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 68ºC proporciona una corriente máxima de 2.1A y un voltaje máximo de 8V. Las medidas de este módulo son de 13mm de altura, 12mm de largo y 2.55mm de espesor y su precio es de $34.1 USD (mayo de 2012).. JO.O. i,.o. -+-8.1 V. -a-,.2v. li. ----4.7V. ¡ • 10.0 J. .....,._3,1 Y. -1.6V. l.00. !20.0. : 15.0. -muCOP. 2.00. s.o. 1.00. 10. ro. 10. 4D. so. 60. ro. ~. ~. ~. JO. ~. ~. ~. ro. ~. T11:mperatuN Oifference (•e). Temperatuff Oifference (•e). Figura. 26 Graficas de diferencias de temperatura contra calor absorvido [25].. •. TE-8-0.45-1.3 módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de 27°C. en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 67°C proporciona una corriente máxima de 0.7A y un voltaje máximo de lV. Las medidas de este módulo son de 5mm de altura, 3.4mm de largo y 2.3mm de espesor y su precio es de $23.3 USD (mayo de 2012).. 31.

(30) 1.4 0.40. 1.2. 0.)5 !.O. O.JO. -1v 0.8. .....,__.0,8 V. ---o.e v. ~0.6V. 0.20. 0.6. _,._0,6V. -M-0.4 V. 0.15. -o.2v. O.JO. -ma,.:COP. ........... o.4V. 0.4. - o..?V. 0.2. o.os 10. ro. 30. ~. ~. ~. ro. o.o W. M. ~. ~. ~. ~. W. ro. M. Temperature Oifference. (:.e). Tenll)e'nlhare Oifference (ºC). Figura. 27 Graficas de diferencias de temperatura contra calor absorvido [26].. 3.5.3 Tellurex. Tellurex es una industria encargada en creación de dispositivos peltier, así como sistemas con efecto seebeck, para ello tiene un gran mercado en la industria, desde aplicaciones médicas, biomédicas, telecomunicaciones, defensa y seguridad. •. Gl-34-0315 módulo termoeléctrico de una sola capa. A una temperatura de 27°C en el lado caliente soporta una diferencia de temperatura máxima de 175ºC proporciona una corriente máxima de 0.5A y un voltaje máximo de 2.8V. Las medidas de este módulo son de 34mm de altura, 31mm de largo y 3.2mm de espesor y su precio es de $35 USD (mayo de 2012). Performance Graph TCold. =so• e, THot =1so• e 1.8. 1.S 1.2 0.9. r-. o. 11 CI.. ,. ,,.3 llt. 0.6 0.3. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. i.. 18. Load Resistance. Figura. 28 A) y B) respectivamente. Grafica de voltaje de carga contra resistencia de carga y dispositivos termoeléctricos [27]. 32.

(31) 3.6 Microcontrolador. Para la aplicación de sensado y control se buscó los microcontroladores de última generación de Texas lnstruments, la cual es una empresa global encargada de diseñar y manufacturar dispositivos semiconductores, así como herramientas de software para poder hacer la programación de los dispositivos que lo requiere. •. CC2540. Para hacer uso de los microgeneradores de energía así como tener una aplicación funcional requerimos de un microcontrolador, para probar y tener una aplicación final, para ello investigamos microprocesadores de nueva generación y que fueran de ultra bajo consumo energético. Nuestra primera opción fue el CC2540DK de Texas lnstruments. Al ser DK (Development Kit) tiene una tarjeta de desarrollo que te permite trabajar con todas las herramientas disponibles como lo son: •. Una pantalla de doble línea.. •. Joystick para manipular movimientos en dos dimensiones.. •. Leds. El núcleo de la tarjeta es un lntel 8051 para hacer procesamiento, además cuenta de manera embebida el sistema de comunicación inalámbrico Bluetooth 4.0 (Bluetooth Low Energy). •. MSP430G2553.. El microcontrolador que utilizamos para el desarrollo del proyecto de ingeniería es de la familia MSP430 de TI. Es un microcontrolador de ultra bajo consumo energético, no cuenta con otros sistemas embebidos, sin embargo es más fácil de utilizar que la propuesta anterior, y dado el tiempo que tenemos para el desarrollo del proyecto optamos por utilizar este MCU.. 33.

(32) 3.7 Módulos de comunicación inalámbrica. Además de los microgeneradores de energía, el sistema final necesita transmitir de manera inalámbrica la información recolectada en los diferentes sensores. Para este propósito se decidió utilizar un módulo Bluetooth. Los módulos Bluetooth suelen ser una buena opción para la eliminación de cables debido a: •. Los módulos Bluetooth hacen uso de protocolos estandarizados. Lo que asegura una alta compatibilidad entre dispositivos.. •. Existen módulos con un bajo consumo de energía y con diferentes modos de ahorro.. •. Actualiza ble y compatible con viejas tecnologías inalámbricas.. Además de las ventajas anteriores, existen módulos bluetooth que traen integrados todo tipo de periféricos y protocolos, lo cual los convierte en sistemas altamente versátiles, esto permite disminuir el tamaño del producto final, ya que no es necesario agregar ningún elemento externo al PCB (Printed Circuit Board), lo que también ayuda a disminuir el consumo de energía del sistema. Además, sólo se consideraron aquellos módulos con antena integrada. Con esto en mente procedimos a investigar los módulos bluetooth existentes en el mercado y decidir cuál cumplía con las necesidades del diseño final. La siguiente tabla muestra un listado de los módulos Bluetooth que satisfacen las necesidades de diseño del sistema. Al final solo un módulo fue elegido.. Figura. 29 Módulos bluetooth BLE112 [28].. 34.

(33) Blue Radios ....QJ. E. e-. n,. c... o. n,. l>O. e '> ·¡¡;. >. a.c.. ·¡¡;. .... QJ 3: o c... ~. Cl. LL. ~. ·s ·¡:;. :::i. X. n, n,. ~. t'.. c.. n,. :::i. z. :::i. QJ. QJ. :::i. ... .... ... a: .... > u e. .o. u. :::i Vl. e. QJ. QJ. a:. Vl. ...e' ~. :::i. u. l>O. e. vi'. E. .E. =-. o. VI. ....... n,. QJ. VI. X UJ. l>O. e. e a:. n,. ..... n,. 1-. 2V BR-. Watch dog timer, UART, SPI, USB data interface, AT. 2.4. 1. 4. -95. -. 18. GHz. Mbps. dBm. dBm. 3.6. mA. LE4.0-. 150 30mA. modem like commands, 2 ADC, 3 Sleep Modes, With m integrated antenna.. S2A V 2.4 WML-. - 83. 12. GHz. 40m. 721kbps C40AH. 3.3V. -2.4. dBm. 100. UART, Audio Interface, AT modem like commands, 2 Sleep. m. Modes, With integrated antenna.. 80mA. A. dBm. GHz. Tabla 3. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Blue Radios.. ConnectBlue. .... ....QJ. ....u :::i. .o. c.. E. > u e. :::i. z. :::i. n,. t'. n,. n,. e. ~. ... ... :::i. ~. :::i. c... QJ. e~. LL. o. n,. a:. ... n, n,. Cl. ....>. ....'. ·¡¡;. 3:. Vl. e. QJ. X. n,. QJ. o c... ~. l>O. e. "> :p. :::i. ....' QJ. '. QJ. >. l>O ....n, a. o Vl:::ic.. >. ...e' :~e ' ~ :: u a: 3 l>O. QJ. :::i. QJ. u. QJ. :p. .E.... VI. e. n,. ~. QJ. VI. ....... n,. l>O. e a:. n,. X UJ. 3. Power. Consumption. Modes,. UART,. AT. 3V. CB2.4G. 460.8Kb. 5. -84. HZ. ps. dBm. dBm. OB54101-. -. 25.1. 25.1. 150. commands, 9 1/0 pins, Well documented, With. mA. mA. m. integrated antenna, Provides software for AT. 6V. 04-0. programming, Watchdog Timer.. 3 Power consumption modes, UART, 12 1/0 (firmware options), 4 A/D-converter channels (10 3V. CB2.4G. 1.36Mb. 4. -84. Hz. ps. dBm. dBm. OB5411104-0. -. 15.5. 25.1. 150. bit) (firmware option), and Wireless multidrop. mA. mA. m. with up to 3 slaves, Well documented, provides. 6V software for AT programming, with integrated antenna.. Tabla 4. Características eléctricas de dispositivos 8/uetooth de ConnectBlue. 35.

(34) Free2Move. X. n:,. ....(]J. .e. > u e:. z. ::,. n:,. ~. E ::,. ........ o... 2 ' (]J. ::,. (]J. a:. C". n:, n:,. cii ;:. Cl. LL. ::,. ... ·5. ::,. o. .... > c. c.. ...c.. ... n:,. t>0. ... '. :¡:;. ·¡;;¡. o o... '. t>0 n:,. (]J. !=. Vl. >. o. t>0. (]J. (]J. e:. (]J. u. a: '. Vl. >. e: ·5 ·¡¡;. ...e: .E :¡:;. ...e:. '. ~. ::::,. B. u. (]J. "'e:n:,. ..."'. t>0. ~. e: n:,. ..... X. a:. 1-. UJ. Piconet/Scatternet capability, PCM interface, Digital and -20. -. F2M0 2.4G. 3. dBm. Hz. Mbps. -2. 3GLA501. 3.lV. -. 83dB m. Analog (8 bit). 1/0. interface, wireless UART, SPP, Serial. 350m 3SmA. 75mA. Interface, Low Consumption mode, Well Documented, (LOS). 3.6V. Provides software and firmware to EVK. With integrated. dBm antenna.. Tabla 5. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Free2Move.. Laird Technologies. .e. > u e:. z ....n:,. ::,. E ::,. .... o... ... ...c. ::,. ....(]J. (]J. C". ~. LL. ::,. '. ... .... o. (]J. n:,. n:,. X. ....(]J' ;:. 2. o... a:. n:,. n:,. Cl. o. t>0. ... >. ·5 ".jj. ·¡;;¡. e: (]J. Vl. e:. '. (]J. ... o. t>0 n:,. >. > c. c. ::, Vl. ...e: ~ ::,. u. ·5. ...e:' .E.... u. n:,. t>0. e: ·¡¡; (]J. a:. :¡:;. ~. :i. u. "' e:. .=. (]J. g"'. t>0. e: n:,. X UJ. a:. Stereo Codee, Mic Input, AT command interface, 3V BTM52 1. 2.4G. HZ. 2.1 Mbps. 8 dBm. -86 dBm. -. 80mA. 300m. Software for AT programming. Uses AT command to. (LOS). program the module, UART, Low Power Sniff Mode,. 80mA. 4.2V ADC,. 1/0 analogical and digital, Well, documented.. Stereo Codee, Mic Input, AT command interface,. BISMS0. 2.4G. 2B1. Hz. 300Kbps. 6dBm. 86d. includes programming software, it is programed. 3.3V-8v. -. 300m using AT.commands, includes AT manual, UART, Low. 36mA (LOS). Power Sniff Mode, ADC,. Bm. 1/0. analogical and digital,. well documented.. Tabla 6. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Laird Technologies.. 36.

(35) Roving Networks. ....:::, ....:::,o.. .... QJ. .e. E :::,. z. t'. ni o... > u. e: QJ. :::, C". ....ni'. cr.. QJ. ..... u... o. .... o. QJ. ...'. :¡:¡. :::o. e:. QJ. ni ni. X. ni. ~. tlD. o... e:. ....>. ">. ·¡;:¡ QJ. V"l. 2:-. o. o. :::,. V"l. ....e:'. ~ :::,. u. tlD. e:. ·;; ·¡¡¡ u. QJ. cr.. ....e:' ~:::,. u. :¡:¡ ;!=. E. VI. e:. ni. ~. QJ. VI. tlD. ....~X. e: ni. cr.. U.J. Este módulo de Bluetooth cuenta con pines de RN3V 42(RN4. 2.4G. 3. 4. -80. 2-. HZ. Mbps. dBm. dBm. -. propósito general, así como ser un dispositivo 20m 30mA. 30mA. compatible con las versiones 1.0 hasta la 2.1 de BT,. (LOS). 3.6V. además de ser simple de configurar por su lista de. 1/RM) comandos. Cuenta con características similares a las del módulo 3V. RN2.4G. 3. Hz. Mbps. 41(RN-. -80 lSdBm. 41-N). dBm. -. RN-42, sin embargo la gran diferencia es que éste es 100m 35mA. l00mA. un dispositivo de clase 1 por lo que el consumo de. (LOS). 3.6V. corriente es más alto, sin embargo tiene un mayor alcance.. Tabla 7. Características eléctricas de dispositivos Bluetooth de Roving Networkss.. Los dispositivos anteriores cumplían con la mayoría de las características necesarias de diseño pero ninguno las cumplía todas. Cabe señalar que no solo importa que tan bien se puede desempeñar el equipo, al momento de decidir que módulo usar también tomamos en cuenta toda la documentación, software y hardware que incluye el proveedor, ya que la falta de documentación, software o hardware puede retrasar y hasta provocar que todo el proyecto fracase. Por esto, adquirimos el módulo de transmisión RN-42 de la empresa Roving Network, por la facilidad de manejo, las características electrónicas, así como la documentación que tiene para poder ser programado, este dispositivo tiene una gran ventaja a comparación de los demás módulos o dispositivos, que este dispositivo puede ser programado desde un teléfono celular, o un equipo de cómputo que cuente con módulo de comunicación Bluetooth interno. El consumo de energía es crítico, sin embargo dado sus configuraciones eléctricas el dispositivo puede ser manejado de tal forma que la corriente que utilice mientras no se están transmitiendo datos sea muy baja (en el orden de los µA).. 37.

(36) 3.8. Medios de recolección.. El medio de almacenamiento es importante para el proyecto, por la potencia que se le demanda. Para ello contamos con dos propuestas de medio de almacenamiento el primero enfocado para el uso de un termoeléctrico o termopila, mientras que el segundo está enfocado para el uso de un sistema piezoeléctrico.. 3.8.1 Circuito LTC3108 De la empresa Linear Technology. tenemos el LTC3108 el cual es un integrado que. convierte de CD/CD ideal para la cosecha y manejo de excedentes de energía a partir de fuentes de entrada con voltajes muy bajos (menores a lV}, como un generador termoeléctrico o una termopila. El integrado funciona con voltajes tan bajos como de 20mV. El LTC3108 es capaz de otorgar voltajes de salida variables. Esto gracias a su salida LDO (Regulador lineal de baja caída) nos es posible el sensado y transmisión inalámbrica. Nos otorga 2.2V fijos, ideal para conectar un microprocesador, mientras que la salida principal puede ser programada en uno de sus cuatro voltajes variables para alimentar un transmisor inalámbrico. Tiene un segundo capacitor de reserva que entrega la energía cuando el voltaje de entrada esta deshabilitado. VouT Charge Time. Start-Up Vollage Sequencing. 1~OlJT = 3.3V ... 1ooor.;;;;;~~~É~E~~ Cour 470~F -+-~--+--+---+----< =. ·---~ ··· 1. \ . . . . . . ~~--= - · · · ·~-----·----1""-... -. ,..¡,_-. 1:100. 0. Ratio - 1:50Ralio ~-----1:2_0R_ati_·o~~~~I~ O. 50. 100 150 200 250 300 350 400 V1N (mV) 3Ulil~l!l. 10sec/DIV. 3108Gl2. Figura. 30 Gráficas de cargas para el almacenamiento de energía [29].. 38.

(37) 3.8.2 Modo de operación Los circuitos activos dentro del integrado son alimentados desde Vaux, donde se conecta un capacitar de lµF. Una vez que Vaux supera 2.SV el Vaut principal está autorizado a iniciar la carga, un regulador interno limita la tensión máxima en Vaux a 5.25V. Cuando se excede o no hay carga, o la fuente de entrada está generando más energía de la requerida para Vaux el excedente de corriente en Vaux se va a tierra.. El LTC3108 incluye un regulador lineal de baja caída (LOO) que proporciona una baja corriente y una salida regulada de 2.2V para la alimentación de un procesador de bajo consumo o de otros circuitos integrados de baja potencia. El LOO es impulsado por el mayor entre Vaux y Vaut· Esto permite que se active tan pronto como Vaux se haya cargado a 2.3V, mientras que el condensador de almacenamiento Vaut se siga cargando. Si los niveles de Vaux caen por debajo de Vaut la corriente se cambia al condensador principal Vaut· El LOO requiere un condensador 2.2µF de cerámica para la estabilidad. Se pueden utilizar valores más grandes de condensadores, pero aumentará el tiempo necesario de carga de todas las salidas. La tensión de salida principal en Vaut se carga desde la fuente de Vaux, y se puede programar por el usuario para otorgar cuatro diferentes voltajes regulados mediante una selección de los pines Vsl y Vs2, de acuerdo con la siguiente tabla.. VS2. VSl. VOUT. GNO. GNO. 2.35V. GNO. Vaux. 3.3V. Vaux. GNO. 4.1V. Vaux. Vaux. sv. Tabla 8. Diferentes configuraciones para elegir el voltaje de salida. 39.

(38) Aunque la tensión del umbral lógico para Vsl y Vs2 es 0.85V típica, se recomienda que estén ligados a tierra o Vaux· Cuando el voltaje de salida cae ligeramente por debajo del valor regulado, la corriente de carga será activada mientras Vaux es mayor que 2.SV. Una vez que Vout ha alcanzado el valor apropiado, la corriente de carga será apagada. En una aplicación típica, un condensador de almacenamiento está conectado a Vout· Tan pronto como Vaux excede 2.SV, el condensador Vout se le permitirá cargar hasta su tensión regulada. La disposición actual para cargar el condensador dependerá de la tensión de entrada y la relación de espiras del transformador, pero está limitada a aproximadamente 4.SmA. Vout 2 es una salida que puede ser encendida y apagado por el usuario, con el pin Vout2_En. Cuando se activa, Vout2 se conecta a Vout y esta salida se puede utilizar para circuitos de potencia externos, tales como sensores y amplificadores, que no tienen una capacidad de apagado. Vout2 puede ser utilizada para alimentar estos circuitos sólo cuando son necesarios. También tiene un circuito !imitador de corriente que limita la corriente de pico. a 0.3~. La salida Vstore puede usarse para cargar un condensador de almacenamiento de gran tamaño o una batería recargable después de que Vout ha alcanzado la regulación. Una vez que ha llegado a Vout a regulación a la salida Vstore se le permitirá cargar hasta la tensión de Vaux· El elemento de almacenamiento en Vstore puede ser utilizado para alimentar el sistema en caso de que la fuente de entrada se pierda, o sea incapaz de proporcionar la corriente exigida por las salidas Vout, Vout2 y LDO.. 40.

(39) ~~. PGD (V) 1. ::1. 1. 1. J¿. 1. 1. 1. 1 --+------1---+-1----+--~ YorrM. ~lz 1 1. ::k 1~ 1 o. 10. 20. 1. j. 1 V~XM. 30. 40. 50. 60. 70. 80. TIME(ms). Figura. 31 Voltajes en el medio de almacenamiento [30].. Como podemos observar en la gráfica el VLDO es el voltaje inmediato al conectar, al mismo tiempo el capacitar conectado a VAux va almacenando una carga (hasta llegar a SV), al mismo tiempo el voltaje de salida va incrementando hasta llegar por arriba de los 2.SV donde hace que PGD se active (interrupción para despertar un micro controlador por ejemplo). 3.8.3 Circuito integrado LTC3588. De la misma empresa, Linear Technology, encontramos el integrado LTC3588, el cual permite la entrada de una señal de AC para convertirla a una señal de DC, dentro del circuito integrado se encuentra un rectificador de baja perdida de potencia, el cual permite la conversión a una señal de DC; además, el. circuito integrado tiene un. convertidor "buck", el cual ayuda a que el circuito integrado, junto con los demás componentes, se pueda acoplar una. carga de alta impedancia. Una característica. importante del convertidor "buck'' es su dinamismo ya que puede pasar del estado "ON" al "OFF" las veces que sea necesario con tal de mantener el voltaje de salida regulado.. 41.

(40) Igual que su contraparte, el LTC3108, este dispositivo contiene cuatro salidas de voltaje, donde una de ellas puede fijarse a los siguientes voltajes de salida 1.8V, 2.SV, 3.3V y 3.6V con una corriente continua de hasta lOOmA. Un capacitor de salida puede ayudar a que el paso de la corriente sea mayor según lo demandado por la carga que esta acoplada al sistema de almacenamiento. LTC3588-1 3.3V Regalator StaJt..Up Profile 22. CslMA&E • 22~ Cour • 47¡1. 2D NO L<W>. 1v111 • 2¡¡A 18. I /. 16. ¡,2. "-1 I. g,a. I. 1 li 4. /. 2 I. a. I. 11. s; 14. • r. ,,., 1. V Voor _,_. ,r. .. PGOOD• LOGIC 1- -. o TIME {51. --. Figura. 32 Gráfica de Vin, Vout, PGOOD [31].. 3.8.4 Modo de operación. El dispositivo está diseñado para trabajar directamente con un piezoeléctrico o con una fuente de AC, por lo que la señal de salida generada por el piezoeléctrico, como la de cualquier fuente de AC, es rectificada usando un puente de diodos rectificador de onda completa; la energía proveniente de la señal rectificada se almacena en un capacitor externo al dispositivo.. La señal rectificada es almacenada en un capacitor externo que a su vez se conecta al Vin, este capacitor sirve como una fuente de energía de reserva para el convertidor Buck. Cabe destacar que el puente rectificador tiene la capacidad de soportar una corriente de entrada de hasta SOmA, por lo general su entrada es de aproximadamente 10 µA para un funcionamiento típico.. 42.

(41) Para que el capacitar de salida sea activado se necesita que el voltaje de entrada en Vin sea mayor al voltaje UVLO de subida (Undervoltage Lockout), por lo que el convertidor. "buck" se habilita, y la carga del sistema se transfiere al capacitar de salida. De manera inversa, cuando el voltaje del capacitar de Vin cae pode debajo del UVLO de bajada el convertidor "buck" se deshabilita, sin embargo el sistema es capaz de seguir cargando el capacitar de entrada a un corriente mínima de 450nA. Se tiene una característica muy peculiar donde si el voltaje de entrada decae por debajo de UVLO de bajada, antes de que el voltaje de salida llegue a ser regulado, el convertidor "buck" se desactivara y no podrá habilitarse hasta que el voltaje de entrada Mn) este ligeramente por arriba de UVLO de subida. Cuando el "buck" regula el voltaje de salida, el convertidor se pone en modo. "sleep", monitoreando a su vez el voltaje de salida, durante este periodo donde el convertidor está en modo "s/eep", el capacitar de salida es el que provee la corriente. Cuando el voltaje de salida decae por debajo del voltaje de regulación el convertidor se re-activa y repite el ciclo para que el voltaje llegué al de regulación nuevamente.. El dispositivo es capaz de regular una de sus salidas, donde se obtienen voltajes de salida fijos pero a diferentes valores.. Para obtener dichos voltajes de salida se deben de. conectar los pines Dl y DO como se muestra en la siguiente tabla:. 01. DO. VOUT. GND. GND. 2.35V. GND. V¡n2. 3.3V. V¡n2. GND. 4.1V. V¡n2. V¡n2. sv. Tabla 9. Diferentes configuraciones para elegir el voltaje de salida. Un comparador llamado PGOOD produce una referencia lógica en alto cuando el convertidor llega al estado de "sleep", sin embargo el "PGOOD" se desactiva cuando el. 43.

(42) voltaje de salida cae en un 8% con respecto al voltaje de salida óptimo. Aun cuando el voltaje de entrada caiga por debajo del UVLO de bajada o no exista alguna entrada, PGOOD permanece encendido bajo la misma premisa de que solamente está en "high" cuando esté por encima del 92% de la capacidad del dispositivo. El uso práctico de este pin es para manejarlo como una interrupción en un microcontrolador ya que nos permite saber cuándo es que el voltaje de salida está regulado y cuándo es que se debe de regular.. TOPVIEW PZ1 PZ2 CAP VtN. 1O PGOOO 9 DO 8 01 7 Vm2. 1 2 3 4. sw s-..;__....;;.,6 Vour MSEPACKAGE 10-LEAD PLASTIC eMSOP. Figura. 33 Distribución de pines del Integrado [32).. Características de voltajes y corrientes. Como características importantes tenemos que su voltaje de entrada máximo es de 18V así como una corriente de entrada mínima de 450nA. El voltaje UVLO tanto de subida como de bajada depende de la configuración de Vout· Para UVLO de subida su rango se encuentra entre 3.77V hasta 5.47V. (Dependiendo de la configuración de salida), para UVLO de bajada su rango se encuentra entre 2.66V hasta 4.28v (dependiendo de la configuración de salida).. VOIJT. Regulated Output Voltlge. 1.8V Oulput Scleded Slecp Threshold. Wake-Up Tbreshold 2.5V Outpul Seleded Sii:ep Tlm:sllold. Wake-Up Tbresllold 3.JV Oulput Seleded Sleep Tlm:shold. Wake-Up Tbn:shold 3.6V Oulpul Seletted Sieep Th111shold. Wake-Up Tbresbold. •• •• •• ••. 1.812. 1.788 2.512 2.488. 2.575. 2425. 3.312 3288. 3.399. 3.201. J.612 3.588. l.708. 3.492. Figura. 34 Tabla de Rangos de Vout, "Sleep", Wake-up [33).. 44. 1.890. 1.710.

(43) 3.8.5 Circuito EH300. De la empresa. Advanced Linear Devices, lnc. Tenemos el medio de almacenamiento. EH300A el cual permite un rango de operación de salida de 3.3V o SV de corriente directa a su salida, este dispositivo permite un rango de entrada desde .±_S00V en su pico máximo de entrada, pudiendo ser AC o DC con un rango de 200nA hasta 400mA de entrada al sistema.. Una de las ventajas que encontramos en este dispositivo es que nos permite almacenar la corriente que se genera. Su entrada de voltaje puede ser tanto un voltaje fijo como uno intermitente, por lo que la corriente de entrada puede ser de AC o de DC, al mismo tiempo este dispositivo permite almacenar la energía que se presenta de forma irregular por lo que es ideal para piezoeléctricos; en un ambiente ideal el piezoeléctrico proporciona una señal de AC puramente senoidal, sin embargo en un ambiente real, como el caso donde el microgenerador de energía está atado a un motor, la señal que produce es senoidal con distorsiones o ruido, ya sea por las características del piezoeléctrico, o por las diferencias en las vibraciones del motor.. El fabricante dice que con una corriente constante de l0µA tiene un tiempo de caga de 4 minutos, mientras que si la corriente es de lµA el tiempo de carga se prolonga a 40 minutos. Por lo que a menor corriente se incrementa en un factor de 10 el tiempo de carga.. Funcionamiento. El principio de carga del dispositivo debe empezar con una diferencia de potencial positivo, por lo que si se utiliza corriente directa se debe empezar con una excitación positiva, mientras que la carga con corriente alterna debe de empezar en un ciclo positivo, siendo el cruce por cero pase una fase negativa a una fase positiva. El dispositivo de almacenamiento cuenta con un circuito integrado (driver) que le permite saber cuándo se. 45.

(44) puede utilizar la energía que está siendo cosechada, por lo que se tiene dos parámetros. Cuando el voltaje de VH ha sido alcanzado la salida del medio de almacenamiento se pone en un estado de "ON" permitiendo que la energía almacenada pueda ser aprovechada por otro circuito. Una de las grandes ventajas es que el circuito puede permanecer en estado de ON sin importar que se siga teniendo una entrada en el cosechador de energía (medio de almacenamiento). Este estado de ON se convierte en un estado de OFF cuando la energía demandada por otro dispositivo es mayor a la que se tiene en. el banco de. capacitares del cosechador de energía. Así mismo otra ventaja es que no importa que la energía de entrada siga en aumento el driver que está conectado al banco de capacitares se ancla a un límite por lo que no afecta al sistema.. Cuando la carga de los capacitares decrementa y llega al estado VL el driver se pone en el estado "OFF" por lo que al estar en este estado, el sistema de almacenamiento de energía deja de proporcionar energía a otro dispositivo y únicamente este volverá a estar en un estado de "ON" hasta que se vuelva a llegar a VH, y el proceso se repite para poder proporcionar energía. Una de las desventajas que observamos y que puede perjudicar la aplicación que se haga posteriormente, es que únicamente se podrá activa en ON hasta que se llegue a VH sin importar si la diferencia de potencial y la corriente se encuentran en un estado intermedio, por lo que se necesita llegar siempre a VH para poder operar posteriormente .. 46.

(45) EH300/EH301 W1vwfonn1. Figura. 35 Graficas de operación del dispositivo [34).. En la gráfica superior de la imagen 51 podemos observar todo un ciclo de funcionamiento con carga, descarga del banco de capacitores así como el funcionamiento del driver para almacenar la energía. En la segunda gráfica es solamente el principio del estado "ON" donde t1 y t2 son los tiempos en el que se alcanza el estado anterior.. De gráfica inferior de la figura 50 podemos observar el t3 como el tiempo de funcionamiento de un dispositivo externo (por ejemplo un microprocesador), este tiempo depende del consumo de energía que tenga el dispositivo externo.. Cabe mencionar que tanto el t1 como el t2 son dependientes de la diferencia de potencia y la corriente que se está suministrando al dispositivo.. 47. 1Tom- do"°""""''~º"""';.;..,;;. Biblloteca. I.

(46) Características Generales. Voltaje. Corriente. Potencia. Rango. máximo. máxima de. máxima. temperatura. corriente. de. entrada. de. de. mínima de. entrada. operación. entrada. S00mW. 0- 70 ºC. 0.0v a lnA. entrada _±S0Ov. 400mA. de. Voltaje. y. Voltaje de. Corriente. anclaje. máxima de salida. 7v. 1!!. Tabla 10 características del dispositivo EH300.. Características típicas de operación. Salida. en. Salida. en. Niveles. de. Disipación de. Energía útil a. nivel bajo( VL). nivel alto(VH). carga. potencia. la salida. 1.8v. 3.6v. 4v a S00nA. 2µW. 30mJ. Tabla 11 características típicas del dispositivo EH300.. TYPICAL CABLE CONNECTION EH300J'EH301 MODULE J O OUTPUT CABLE. INPUT CABLE: O EHJ1C J1. 2. BROWN. EHJ2C >-+---RED f-+---GREEN f-+---YELLOW. L'.!_j-t----- 61..ACK. BROWN. o. o. Figura. 36 Conexiones del módulo [35].. 48.

(47) POWERING APPLICATION LOAD MODULE APA..K:ATION. EHmBl~1 MOOll.E. LOAOMOOl.lE. .12º VP. 1 21-+---+. +V. 3. GND 4 1-+----l GND. o. o. IMPULSE POWER TO MICRO CONTROLLER WITH 110 HANDSHAKE EH300Bl301 IIXJUI..E. o. MICRO OONlROUER. .12º. J1. 1 21-+-----1 V+. 3 4. 110 GND. o. o. 1Kll. Figura. 37 A) y B) respectivamente. Diagramas típicos de funcionamiento [36].. 49.

(48) Capítulo 4: Diseño y desarrollo de los sistemas. 4.1 Introducción. Se realizaron diversas pruebas con dos tipos de sistemas diferentes, uno cosechando energía a partir de un piezoeléctrico y la otra serie de pruebas fue a partir de un termoeléctrico. Las pruebas realizadas se llevaron a cabo bajo diversos escenarios para así poder observar en cuál se tenía un máximo rendimiento de cada uno de los dispositivos.. 4.2 Diseño del micro generador piezoeléctrico. 4.2.1 V21BL en "subwoofer'' Ya que el piezoeléctrico necesita de vibraciones constantes para poder generar energía las primeras pruebas fueron utilizando un. "subwoofer'' para conseguir estas vibraciones.. Además así fue posible verificar a que frecuencias y con qué masas añadidas daba el mejor rendimiento. Al añadir una masa en la punta del piezoeléctrico podemos aumentar la amplitud del voltaje obtenido por las vibraciones dependiendo de la frecuencia de oscilación, además esta nos ayuda a tener una mejor forma en la señal en forma de energía (señal senoidal con o sin perturbaciones).. Figura. 38 Piezoeléctrico en "subwoofer" Primeras pruebas. so.

(49) 4.2.2 Piezoeléctrico V21BL en motor Para poder hacer mediciones reales con el piezoeléctrico era necesario adaptar el diseño para poder realizar las pruebas en un motor, por lo que se utilizó un imán capaz de estar anclado en metal y el cual es difícil de remover por sus características, a este se le atornilló una pequeña placa de MDF (tablero de fibra de densidad media) para poder fijar el piezoeléctrico al aglomerado. También se colocó en la punta una masa de compensación, para mejorar la amplitud en la señal generada por el piezoeléctrico.. Figura. 39 Piezoeléctrico en motor segunda prueba. 4.3 Diseño del micro generador termoeléctrico. Para realizar las pruebas con el termoeléctrico se utilizaron varios materiales para poder garantizar la diferencia de temperatura adecuada. Estos materiales fueron: plancha de calor,. placa. delgada. de. aluminio,. aislante. térmico. (corcho. con. conductividad térmica: 0.036 - 0.042 W/K*m), disipador de calor y ventilador. Con esto hicimos una especie de "sándwich" para separar el dispositivo y generar las diferencias de temperatura.. 51.

(50) Figura. 40 Materiales utilizados con el termoeléctrico: placa de aluminio, aislante térmico (corcho), disipador de calor y ventilador. Figura. 41 Termoeléctrico con disipador. 4.4 Desarrollo del sistema piezoeléctrico 4.4.1 V21BL en "subwoofer" Comenzamos a realizar pruebas según las especificaciones del fabricante, con ayuda del generador de funciones y el subwoofer. Para las pruebas realizadas se emplearon diferentes masas en la punta del piezoeléctrico para poder ver que voltajes se podían generar a partir de una amplitud definida en el generador de funciones. El voltaje del generador de funciones se dejó fijo, para darle cierto grado de repetitividad y congruencia. 52.

(51) a las pruebas. Dicho voltaje tenía que ser constante para el rango de frecuencias a utilizarse en las pruebas para que las pruebas fueran congruentes.. 4.4.2 Generador de funciones. En el generador de funciones establecimos una señal senoidal con un rango de frecuencias permitidas para el piezoeléctrico de 10 hasta lSOhz con una amplitud constante a la salida de 1.SV de la señal sinusoidal.. 4.4.3 Piezoeléctrico. Este dispositivo cosechador de energía se "ajustó" como el fabricante indico para la obtención un mayor voltaje, el ajuste consistía en agregar masas en la punta del dispositivo, de diferentes gramos, haciendo que el dispositivo vibrara más o menos, mecánicamente hablando. Todas las masas que se indican en nuestras pruebas incluyen el peso de las masas de "ajuste" y las cintas con las que fueron atadas al piezoeléctrico.. •. Primera medición.. La primera prueba se hizo sin masa para poder medir el voltaje máximo, mínimo y voltaje pico a pico de la señal generada. Cabe mencionar que el voltaje generado es voltaje de corriente alterna, por lo que se hicieron las tres mediciones anteriores para los diferentes casos.. 53.