OBJETIVO
Realizar la medición, con el apoyo microcontroladores, del voltaje, la corriente, la potencia y la energía proporcionada por una batería de automóvil durante su operación, para lo cual nos apoyaremos de técnicas de medición de voltaje y las propiedades eléctricas de los dispositivos empleados para dicho propósito.
INTRODUCCIÓN
En este proyecto se nos dio la tarea de realizar
sensores capaces de medir las variables mencionadas en objetivo, tomando en
cuenta las características de una batería de automóvil (acumulador).
Lo primero que se realizo es la selección de un
acumulador para que en base a ésta se desarrollaran los sensores. El
acumulador que se eligió es la Volta 50 de la marca Sermat cuyas características son las siguientes:
Como
se puede ver se tiene una corriente máxima de 280 A y un voltaje entre 13.8 V y
14.4 V. Se puede ver que la corriente es alta ya que el acumulador se encarga
de alimentar prácticamente todos los elementos del auto. En la siguiente tabla
se puede ver algunos consumos regulares en los automóviles:
Ya teniendo las características del acumulador se
decidió que método utilizar para la medición tanto de la corriente como
voltaje, y ya teniendo estos dos se podrá calcular la potencia y energía.
RESISTENCIA DE SHUNT PARA MEDICIÓN DE CORRIENTE ELÉCTRICA
Para la medición de la intensidad se decidió utilizar
el método de la resistencia de shunt el cual consiste en tener una resistencia
de carga y la resistencia de shunt en serie a ésta, la resistencia de shunt
tiene la característica de tener una caída de voltaje muy baja con el fin de no
afectar en la resistencia de carga. Ya teniendo el circuito se mide la caída de
voltaje en la resistencia y por medio de ley de ohm se obtiene la corriente que
pasa por el circuito.
Con esto sabemos que puede soportar los 280 A del acumulador y tendrá una máxima caída de voltaje de 75 mV por lo que podemos calcular una resistencia de 250 µΩ.
DIVISOR RESISTIVO PARA MEDICIÓN DE VOLTAJE
El método que se usará para la medición de voltaje
será implementar un divisor en paralelo a la resistencia de carga y de la
resistencia de shunt. Teniendo en cuenta que se conocerán ambos valores de
resistencia se podrá conociendo el voltaje que existe en una de las
resistencias se puede conocer el voltaje del acumulador.
Sabiendo que el rango de voltaje que tiene el
acumulador en buen funcionamiento va de 13.8 a 14.4 V ese será el rango de
interés en nuestra medición, ya que si el valor del voltaje sale de este rango
significará que la batería está finalizando su vida útil. Para tener un pequeño
margen se amplió el rango en 0.3 V en ambos extremos para tener un valores
entre 13.5 V y 14.7 V.
Se desea que el voltaje máximo que se dé en la
resistencia de interés sea de 75 mV para tratar de que se maneje muy parecido a
la señal resistencia de shunt en la corriente. Cabe mencionar que esta sección
del circuito consumirá en el rango de mA por lo que no influirá en la corriente
suministrada por el acumulador al resto del circuito.
Al tener 75 mV para 14.7 V se tendrá la siguiente
ecuación:
Despejando la relación de resistencias nos da:
Por lo que cualquier combinación de resistencia con esta
relación nos servirá. La resistencia deben tener un valor alto para que no
afecten en la corriente que consuman y deben ser de precisión para tener una
mejor lectura.
COMPONENTES UTILIZADOS
En la implementación del circuito se utilizaron
algunos componentes no muy comunes, por lo que en la siguiente sección se dará
una breve explicación del funcionamiento de cada uno.
AMC1200-Q1
Se trata de un amplificador de aislamiento diseñado por
Texas Instrument, el cual tiene en una de sus principales usos el del sensado
de resistencias de shunt, ya que tiene una gran precisión a voltajes pequeño y
también en una variación del AMC1200, ya que este componente es hecho para
aplicaciones automotoras.
Cuenta con dos alimentaciones, siendo la segunda de una
fuente aislada. Tambien tiene una ganancia fija de 8 y sirve para mediciones de
corriente bidireccional ya que presenta un offset integrado con el cual el
voltaje de referencia en 2.55 V.
SN6501-Q1 Y TPS76950-Q1
Estos dos componentes se recomiendan en la página de
Texas Instrument para la implementación del AMC1200, los cuales ayudan a
brindar una fuente aislada desde el acumulador, con el fin de proteger el
circuito. En los datasheets de ambos se pueden ver otros elementos necesarios
dependiendo de las características deseadas en la fuente, como el modelo del
transformador y de los diodos, al igual que algunos capacitores conectados en
el circuito.
INA326
Este componente es una amplificador de instrumentación
de riel a riel el cual permite una mayor precisión para valores cercanos a los
de las alimentaciones, lo cual es una gran ayuda ya que se alimentará con 0 V y
5V para tener valores muy cercanos a éstos. También presenta una ganancia ajustable
por medio de dos resistencias.
Con esta ganancia se realizará el ajuste necesario
para hacer que nuestra señal vaya de 0 a 5 V para enviarlo al microcontrolador.
DIAGRAMA DE BLOQUES
Para la corriente
Para el voltaje
CIRCUITO E IMPLEMENTACIÓN
Esta parte del circuito nos
permite generar una fuente de voltaje aislada de la batería para poder
alimentar nuestros amplificadores instrumentales, como se mencionó
anteriormente. Se utilizó el transformador de Wurth Electronics Midcom 760390013, la cual se utiliza para
alimentación y salida a 5 V y los diodos de Fairchild
Semiconductor MBR0520L.
Esta parte del circuito está
destinada a amplificar el voltaje de la resistencia de shunt con una ganancia
de 8 del AMC1200 y nos brinda un aislamiento de la señal para poder mandarla a
nuestro microcontrolador, al ser el voltaje máximo de 75mV, la salida máxima
del AMC1200 es de 0.6V, siendo este voltaje medido entre las terminales 7 y 6
del integrado (ver Datasheet).
Al tener la referencia de la
señal en 2.55 V podremos medir 2.85 V desde VOUTP a GND para la corriente
máxima y 2.25 V para la corriente mínima (siendo esta corriente negativa).
Para poder medir solo el rango
deseado se necesitó restar el voltaje mínimo y así ampliar la señal. Para esto
se generó un voltaje de 2.25 V por medio de un divisor de voltaje el cual
pasamos a un operacional (TL082) donde se configuró como seguidor de voltaje.
Luego ampliamos esta señal con el operacional (INA326), en el cual se restan la
señal del AMC1200 menos la del seguidor de voltaje, y se configura con ganancia
de 8.33 para ampliar el intervalo de medida (de 0.6v a 5v) que posteriormente
enviaremos a nuestro microcontrolador.
Este segmento nos sirve para
medir el voltaje de la pila, opera de manera análoga al circuito empleado con
la resistencia de shunt, con la diferencia que tomamos el valor de un divisor
de voltaje conectado en paralelo con la batería. Con la diferencia que el
voltaje mínimo será 13.5 V. Al realizar el de cálculo:
Sabiendo que la relación de R1/R2 = 195, tenemos que:
Por
lo que al amplificar la señal en el AMC1200 tenemos que la señal tendrá un
voltaje mínimo de 2.82 V midiendo de la terminal 7 a GND. Hacemos lo mismo que
el circuito anterior con un divisor de voltaje para obtener un voltaje de 2.82
V para que reste a la señal del AMC1200 en el INA326.
Y
teniendo un voltaje máximo de 2.85 V nos quedará un rango de 0.024, que para
llevarlo a un rango de 0 a 5 V necesitaremos amplificarlo con una ganancia de
200.
DISEÑO DEL PCB
COSTOS
PSEUDOCÓDIGO DE CONTROLADORES
Configuración de los módulos del PSoC
Agregar bloque digital como filtro pasa-bajas (Lectura de voltaje)
Asignarle un PIN como entrada
Asignarle un PIN como salida
Agregar bloque digital como ADC de 8 bits
Asignarle el PIN de salida del filtro como entrada
Asignarle PIN de salida
Agregar bloque digital como filtro pasa bajas (Lectura de corriente)1
Asignarle un PIN como entrada
Asignarle un PIN como salida
Agregar bloque digital como ADC de 14 bits
Asignarle el PIN de salida del filtro como entrada
Asignarle PIN de salida
PROGRAMA RASPBERRY PI
Declarar variables Voltaje, Corriente, Potencia, Energía, Tiempo,
TTrans, F1, F2
TTrans = 0
Tiempo = Constante2
F1 = Constante3
F2 = Constante4
Ciclo:
Leer datos del Puerto serie
Para los primeros 8 bits convertir a Valor
Asignarle ese valor a Voltaje
Para los siguientes 14 bits convertir a Valor
Asignarle ese valor a Corriente
Potencia = Voltaje * Corriente
Energía = Energía + Potencia * Tiempo * F1
TTrans = TTrans + Tiempo * F2
Imprimir Voltaje, Corriente, Potencia, Energía, TTrans
Esperar Tiempo - Tiempo de operaciones5
Regresar a Ciclo
Notas:
- Leeremos un voltaje que nos dará la corriente
- Este tiempo será cada cuanto tomaremos una muestra
- Constante que al multiplicarla por tiempo nos dará el tiempo en horas
- Constante que al multiplicarla por tiempo nos dará el tiempo en segundos
- A la constante de tiempo debemos restarle el tiempo que nos tomará realizar las operaciones
REFERENCIAS
https://mega.co.nz/#!uABS2IiT!Qt6ZAmYmn720JCItKB2qFboU50Y2O8iQRZlJEDBCck8
Precios:
La resistencia shunt la montaron directamente en la placa fenolica o como va físicamente?
ResponderBorrarEstaría bien que agregaran una foto en la primera parte donde hablan del producto. En cuanto al reporte, esta muy bien explicado y completo.
ResponderBorrarLa resistencia de shunt se adapta a cualquier estructura fija, y solo se conectan los cables de las terminales de voltaje a la placa. ya que si buscas imágenes de la resistencia notaras que no es muy chica como para ir en la placa.
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