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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

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HOJA DE ACEPTACIÓN

“Módulo de energía para el vehículo estratosférico Sabio Caldas II”

Observaciones. _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________

DATOS DE ENLACE

E-mail: cacarvajalh@correo.udistrital.edu.co Teléfono: 3046629220 E-mail: jssusav@correo.udistrital.edu.co Teléfono: 3017426092

_______________________________ Director del Proyecto Ing. Esperanza Camargo Casallas Fecha de presentación: Abril de 2018

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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.

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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.

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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.

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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. 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

4. Resultados………………………………………………………………………............34

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5. Conclusiones y recomendaciones…………………………………………………..37

6. Bibliografía……………………………………………………………………………….38

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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 0C Fuente: Los autores 28

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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.

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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.

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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.

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.

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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:

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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].

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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

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

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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.

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].

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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 (Pulse-

Width 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,

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].

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.

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]

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.

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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 = 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑅2

𝑅2 + 𝑅1

( 2)

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐹𝐵𝑅2 + 𝑅1

𝑅2

( 3)

Y el valor de la bobina se calcula con la ecuación (4)

𝐿1 =𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑓𝑠 ∗ ∆𝐼𝐿∗ (1 −

𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉𝑖𝑛

)

( 4)

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

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]

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).

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

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 (2C 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.

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

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.

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.

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.

34

Figura 11. Cargador solar para batería de Litio[23].

Figura 12. Sistema “Load sharing” del cargador solar [23].

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

36

resaltar que durante la prueba no se presentó ninguna falla de recalentamiento, caídas

del sistema o similares.

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 0C

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.

20.52620.52620.62820.69520.79720.89820.99921.06721.20221.30421.40521.54021.67521.74321.81021.91221.97922.04722.11522.21622.28322.35122.41922.52022.55422.65522.68922.72322.79022.85822.92622.95923.02723.06123.12923.16223.23023.29823.29823.36523.39923.43323.50023.53423.53423.56823.63623.66923.66923.66923.73723.77123.80523.83823.83823.87223.94023.94024.00824.00824.00824.04124.07524.10924.10924.14324.17724.17724.21024.21024.27824.27824.31224.34624.38024.38024.41324.41324.44724.48124.48124.51524.54924.54924.58224.58224.61624.61624.65024.65024.71824.71824.71824.71824.75224.78524.78524.78524.81924.75224.75224.78524.78524.81924.92124.92124.92124.88724.88724.85324.85324.78524.75224.65024.61624.54924.48124.41324.34624.24424.17724.07524.00823.97423.87223.77123.70323.63623.56823.46723.36523.33123.26423.16223.09523.02723.02722.92622.92622.85822.79022.75722.68922.62122.58822.52022.45222.41922.38522.35122.28322.21622.18222.14822.11522.04721.97921.94621.94621.84421.84421.81021.81021.74321.70921.64121.60821.57421.54021.50621.50621.43921.43921.40521.37121.33721.33721.30421.33721.27021.23621.20221.13521.13521.10121.06721.06720.99920.99920.99920.99920.99920.96620.96620.93220.96620.966

000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

1 8

15

22

29

36

43

50

57

64

71

78

85

92

99

10

6

11

3

12

0

12

7

13

4

14

1

14

8

15

5

16

2

16

9

17

6

18

3

19

0

19

7

Temperatura(Y) VS Tiempo(X)

Temperatura Tiempo

37

Figura 15. Gráfica temperatura Vs tiempo a temperatura bajo 0C

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.

-5

0

5

10

15

20

25

Temperatura (Y) VS Tiempo(X)

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.

39

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