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Revista de Sistemas Digitales y Comunicaciones
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ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
NEUE COLLEGE-MAGAZIN FÜR ELEKTRONIK
ENERO 2016
REVISTA UNIVERSITARIA DE SISTEMAS DIGITALES
VOL. 1, NÚM. 1 ENERO-ABRIL 2016
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
ELEKTONIK. Revista Digital del programa de Sistemas Digitales y Comunicaciones del Instituto de Ingenieria y Tecnología
DIRECTORIO FUNDADOR Y DIRECTOR EDITORIAL
COMITÉ EDITORIAL
Ricardo Duarte Jáquez Rector
David Ramírez Perea Secretario General
Francisco López Hernández Director
Instituto de Ingeniería y
Tecnología
Ramón Chavira Director General de Difusión
Cultural y Divulgación
Científica
Jaime Romero González Coordinador de Investigación
y Posgrado, IIT
Jesús Rodarte Dávila Docente Investigador del
Departamento de Ingenieria
Electrica y Computación
Julio Cesar Diaz Sergio Lujan
David Garcia Chaparro Jose Mireles Jr.
Petra Salazar Francisco Carrillo
Jose H. Silos
PORTADA Portada del Libro Digital Systems (Tocci & Widmer)
La edición, diseño y producción editorial de este documento estuvo a cargo de: José de la Luz Cadena
Cuidado de la edición: Petra Salazar Fierro
Fotografía de portada: http://buksheaven.blogspot.mx/2010/08/free-digital-systems-principles-and.html
ELEKTRONIK: REVISTA UNIVERSITARIA DE SISTEMAS DIGITALES
Vol. 1, Núm. 1 Enero-Abril 2016. Es una publicación académica multidisciplinaria publicada tetramestralmente por la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, a través del Instituto de Ingeniería y Tecnología (IIT), desde el Departamento de Ingeniería Electrica y Computación. Av. Del Charro 619 Nte. CP 32310, Ciudad Juárez, Chihuahua, México, Teléfono/fax (656) 688 4800 al 09. Correo electrónico: [email protected] Editor responsable: Jesus Rodarte Davila. Webmaster: Jose de la Luz Cadena; Web: http://assuu.com/ELEKTRONIK7 El propósito de esta revista es proporcionar información especializada al estudiante del programa de Sistemas Digitales y Comunicación. Colaboraciones: enviarlas directamente al editor. Los artículos firmados son responsabilidad de sus autores. Se autoriza la reproducción total o parcial, siempre y cuando se cite la fuente. © UACJ Hecho en México
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
Contenido
Mensaje del director ........................................................................................................................ 4
El procesamiento de Señales Digitales .................................................................................... 5
Vehículos Eléctricos .............................................................................................................. 11
Monitoreo de energia solar de un sistema fotovoltaico remoto............................................. 12
Gestión inteligente de espacios en un lote de aparcamiento. ................................................ 20
Bibliografia................................................................................................................................ 23
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
MENSAJE DEL DIRECTOR
El propósito de esta revista es proporcionar información especializada al estudiante del programa de Sistemas Digitales y Comunicación. El desarrollo de Sistemas Digitales es muy dinámico y multidisciplinar es por ello que surge la inquietud de proporcionar tendencias de la Industria en el desarrollo de nuevos productos y tecnologías, esperamos que con el nacimiento de esta revista estimule la creatividad de los alumnos de la carrera así como les sirva de plataforma para la presentación de sus proyectos de fin de carrera.
El seguimiento que como profesionistas debemos hacer a la evolución e innovación de la tecnología es un camino “per se” que nos conduce al desarrollo individual y crecimiento integral. Pero este seguimiento deberá quedar manifiesto de forma escrita ya que de lo contrario se pierde.
Verba volant, scripta manent
Caius Titus
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
EL PROCESAMIENTO DE
SEÑALES DIGITALES
nota: este artículo es una adaptación del artículo publicado en la revista EDN Network de diciembre de 2015
La Transformada Rápida de Fourier
(TRF en inglés FFT Fast Fourier Transform)
es una herramienta fundamental en el
procesado digital de señales. Su origen es
relativamente reciente puesto que fueron
J.W.Cooley y J.W Tukey, quienes hacia 1965
abordaron por primera vez el problema de la
programación de un algoritmo para el cálculo
de series complejas [1].
Este eficiente algoritmo permite
calcular la transformada de Fourier discreta
(DFT) y su inversa. La TRF es de gran
importancia en una amplia variedad de
aplicaciones, desde el tratamiento digital de
señales y filtrado digital en general a la
resolución de ecuaciones en derivadas
parciales o los algoritmos de multiplicación
rápida de grandes enteros. El algoritmo pone
algunas limitaciones en la señal y en el
espectro resultante (La FFT está limitada a
tener un período máximo de la mitad de la
muestra (límite de Nyquist) y un ancho de
banda de resolución de la inversa de la
duración de la señal) [2]. Por ejemplo: la
señal de la que se tomaron muestras y que se
va a transformar debe consistir de un número
de muestras igual a una potencia de dos. La
mayoría de los analizadores TRF permiten la
transformación de 512, 1024, 2048 o 4096
muestras. El rango de frecuencias cubierto
por el análisis TRF depende de la cantidad de
muestras recogidas y de la proporción de
muestreo [3].
Los Analizadores de espectro con
opción de TRF, y herramientas similares en
el dominio de la frecuencia, permiten hacer
mediciones a la respuesta a la frecuencia de
circuitos, los osciloscopios digitales como
instrumentos de medición en el dominio del
tiempo, pueden digitalizar las formas de onda,
y consecuentemente pueden procesar señales
en el dominio del tiempo en el dominio de la
frecuencia. Si se utilizan diversas señales
como fuentes de excitación, tales como
funciones de paso, barrido de ondas
senoidales, ruido blanco, y portadoras
moduladas en fase.
La forma más sencilla de medición de
respuesta a la frecuencia requiere una fuente
de señal con una respuesta espectral “plana”
en el dominio de la frecuencia. Esto significa
que el espectro de la señal es constante en
todas las frecuencias de interés. Barrido de
ondas sinusoidales, ruido blanco, y la función
de impulso de Dirac proporcionan respuestas
planas y todas están disponibles en los
generadores de forma de onda arbitraria.
Teniendo en cuenta que la función de
impulso es la derivada de una función de paso,
también es posible utilizar un impulso rápido
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
o señal de paso desde el osciloscopio para
hacer pruebas de respuesta de frecuencia.
Este último hecho significa que el
osciloscopio puede realizar mediciones de
respuesta de frecuencia independientes.
Ejemplos de cómo medir la respuesta a la
frecuencia con un osciloscopio.
En la Ilustración 1 se muestra (la
función de paso) la función escalón de
Heaviside, también llamada función escalón
unitario, debe su nombre al matemático
inglés Oliver Heaviside [4].
Ilustración 1 Función de paso es llamada
la función de Heaviside
Es una función discontinua cuyo
valor es 0 para cualquier argumento negativo,
y 1 para cualquier argumento positivo [5],
para excitar un filtro digital, de la cual se
mide la respuesta de frecuencia.
Ilustración 2 Una función FFT permite
medir la respuesta a la frecuencia de un filtro digital
excitado por una señal escalón.
La Ilustración 2 muestra el primer
ejemplo que utiliza una forma de onda
escalón como señal de entrada. Los
osciloscopios “umbral rápido” o con señal de
“disparo” pueden ser utilizados dependiendo
de la medición de ancho de banda deseada. El
ancho de banda de una señal es inversamente
proporcional al tiempo de transición de pasos.
Para hacer la medición, se aplica la señal al
canal 1, mostrado en la parte superior
izquierda del trazo.
Rastreo matemático, justo debajo de
la traza de la señal de entrada, distingue la
entrada escalón. Esta es una función de
impulso. Tenga en cuenta que la función
matemática derivada es sensible al ruido de la
línea de base, que se puede contrarrestar por
la disminución de la frecuencia de muestreo
efectiva usando la función “sparse”
(escasear) del osciloscopio. Se puede reducir
la frecuencia de muestreo de un mínimo de
dos veces el ancho de banda de medición
deseada y sigue cumpliendo los criterios de
Nyquist. El siguiente trazo inferior es la FFT
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
del impulso. Muestra un espectro de
frecuencia plana sobre la banda de interés de
100 MHz. Las mediciones del cursor
muestran que el espectro de la función de
impulso es plana hasta dentro de 20 mdB
sobre el ancho de banda del filtro que se está
probando. La función de paso también se
aplica a la entrada del filtro digital. La salida
del filtro se muestra en el trazo F1, en la parte
superior derecha. Esto se distingue en el trazo
F2 (centro derecha). La salida diferenciada se
aplica a la FFT promediada en la traza F3
(parte inferior derecha), que muestra el
espectro de la señal de salida. Técnicamente,
la respuesta de frecuencia es la relación
compleja del espectro de salida respecto al
espectro de entrada. Puesto que hemos
asegurado que la magnitud del espectro de
entrada es plana, el espectro de salida
representa la forma correcta de la respuesta
de frecuencia. El punto de medida de los
cursores es de -3 dB a una frecuencia de 38
MHz.
Barrido sinusoidal
El Barrido sinusoidal (sine-sweep)
es un barrido en frecuencia.
Tiene la característica de excitar sólo
una frecuencia a la vez. Esto no sucede con
todas las señales de banda ancha; en el ruido
rosa o en una señal impulsiva, por ejemplo,
todas frecuencias son excitadas en
simultáneo y la energía de la señal se
distribuye uniformemente en todo el ancho
de banda. Excitar de a una frecuencia a la vez
permite concentrar toda la energía de la señal
en un ancho de banda estrecho [ 6 ]. El
ejemplo 2 mostrado en la Ilustración 3 utiliza
una entrada de barrido senoidal desde un
generador de forma de onda arbitraria. El
barrido se establece para cubrir 10 kHz a 200
MHz.
Ilustración 3Usando un barrido sinusoidal para
medir la respuesta en frecuencia de los resultados
de un filtraje digital en una pequeña “muesca”,
cuando la señal de excitación de entrada inicia
(consulte la traza de centro-derecha).
Debido a que un barrido sinusoidal a
través de una gama de frecuencias, sólo una
frecuencia excita el circuito bajo prueba en
un momento dado. Por lo tanto, el pico de
respuesta de FFT debe ser capturado y
retenido. Esto se logra usando la función
matemática “roof” (techo) después de la FFT.
En algunos otros osciloscopios esto se le
conoce como la función máxima. Esto es
equivalente a la función de retención máxima
de un analizador de espectro de
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
radiofrecuencia. Una vez más, la entrada es
del trazo C1 en la parte superior izquierda. La
FFT de la entrada aparece en la traza F1
(rejilla izquierda del centro). El tiempo de
respuesta de salida del filtro se visualiza en la
traza F2 (superior derecha) y muestra el
barrido sinusoidal atenuado cuando su
frecuencia supera la frecuencia de corte del
filtro paso bajo. La FFT de la salida del filtro
está contenido en la traza F3 (derecha del
centro). El resultado de esta técnica de
medición es muy similar al método anterior.
Tenga en cuenta la pequeña “muesca” tanto
en el espectro de entrada y de salida del filtro.
Se trata de un error de “inicio” en el barrido
senoidal. Si se divide la magnitud espectral
de salida por la magnitud de entrada, se
normaliza la medición. Nótese que la
magnitud del espectro se muestra en una
escala logarítmica, la normalización de la
respuesta espectral de salida requiere restar el
espectro de potencia de entrada a partir del
espectro de potencia de salida. Vea la traza
F4 (abajo a la derecha). La sustracción
elimina la muesca en el extremo de baja
frecuencia del espectro. Una vez más, esto
funciona porque el espectro de entrada es
básicamente plano. Si ese no fuera el caso,
entonces se necesita calcular la relación
compleja del espectro de salida a entrada.
Ruido Blanco
El ruido blanco es una señal aleatoria,
caracterizada porque sus valores en instantes
de tiempo distintos no tienen relación alguna
entre sí, es decir, no existe correlación
estadística entre sus valores [7].
La Ilustración 4 muestra el ejemplo
donde se utiliza el uso de ruido blanco como
fuente de entrada.
Ilustración 4Medición de la respuesta de
frecuencia de un filtro utilizando una fuente de
ruido blanco requiere el uso de una FFT
promedio.
La señal de entrada, que se muestra en
la traza C1 (superior izquierda), es ruido
blanco del generador de forma de onda
arbitraria. El espectro (promedio FFT) de la
señal de entrada se muestra en la traza F2
(abajo a la izquierda). Como todas las otras
fuentes, ésta también es espectralmente plana.
La misma fuente también se aplica al filtro y
la salida del filtro se muestra en la traza F1
(superior derecha). La traza F3 es la FFT
promediada de la salida del filtro y muestra la
respuesta de frecuencia del filtro. Tenga en
cuenta que la fuente de ruido aleatorio
requiere que utilicemos el promedio de FFT
para que podamos ver la respuesta media en
cada frecuencia. Esta es la única forma de
obtener datos estadísticamente significativos
a partir de la fuente de ruido blanco.
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
Al comparar las respuestas de los tres
métodos, se puede ver que la técnica de
barrido sinusoidal produce el mayor rango
dinámico, como lo indica la profundidad de
las muescas en el espectro. La fuente de ruido
produce el rango dinámico más pobre porque
tiene valores de pico muy altos, pero una
desviación estándar relativamente baja. Esto
limita el nivel de señal máximo que se puede
aplicar al digitalizador de osciloscopios. Esto
limita el rango dinámico para esta medición,
que podría mejorarse mediante el uso de 12-
bit en lugar de un osciloscopio de 8 bits. Los
datos de la respuesta del paso/impulso están
en el término medio. La corta duración del
impulso limita la energía total aplicada al
filtro y provoca un menor rango dinámico
que el barrido sinusoidal.
Estas mediciones se realizaron en un
filtro que responde a un estímulo de tensión.
Se puede aplicar técnicas similares a
dispositivos que responden a otros
parámetros. Tomemos, por ejemplo, un lazo
de enganche de fase (PLL). Responde a la
fase de una señal. Para encontrar la respuesta
de frecuencia de un PLL, se utiliza una
portadora (modulada en fase) PM como
señal de entrada. La fuente de modulación
debe ser un impulso, barrido sinusoidal, o
ruido espectralmente plano. La Ilustración 5
muestra una medición de un PLL utilizando
una portadora modulada en fase con una
función escalón.
Ilustración 5Medición de la respuesta a la
frecuencia de un PLL utilizando una portadora
modulada en fase.
La señal de entrada, desde un
generador de forma de onda arbitraria, es una
portadora de 66,7 MHz modulada en fase por
una señal de paso de 2 radianes en el centro
del trazo. El generador de funciones
arbitrarias produce un paso de fase con un
tiempo de transición, que está dentro de un
período de reloj de muestreo del generador
produciendo un ancho de banda de alta
modulación. Generadores de señales
normales tienen limitado ancho de banda de
modulación y no pueden proporcionar
suficiente ancho de banda. La señal de
entrada se muestra en la traza de C1 en la
esquina superior izquierda. Traza Z4 es una
vista ampliada de la fase de paso en la
esquina superior derecha. El TIE o error de
intervalo de tiempo (fase instantánea) de esta
señal se mide por los parámetros P1 y P2. El
parámetro P2 tiene su PLL interno activado
usando un ancho de banda nominal de 667
kHz (un factor de punto de corte de 100). Es
la respuesta de frecuencia de este PLL que
está siendo determinada.
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
La función matemática F1, abajo de
C1, muestra el seguimiento del parámetro P1.
Este seguimiento es una gráfica sincronizada
en tiempo del valor del parámetro en función
del tiempo. Se muestra el cambio de ciclo-a-
ciclo en la medición TIE. Se puede pensar
como la variación de fase instantánea de la
señal de entrada. Se puede ver la función de
paso debido a la modulación de fase. La
magnitud del paso de fase es 4,958 ns, que en
un período de la portadora de 15ns y
representa la amplitud del paso de 2 radianes.
El seguimiento de P1 se distingue en
la traza F2 mostrada debajo de F1. La FFT
del paso diferenciado, en F3 (abajo a la
izquierda) muestra una respuesta de
frecuencia plana a 2 MHz. Este es el espectro
de la entrada al PLL.
A la derecha de la pantalla,
empezando por el seguimiento de P2 en la
traza matemática F4, sigue los mismos pasos
para la salida de PLL. F5 es la respuesta de
impulso y F6 es el espectro de salida. El PLL
en la medición TIE exhibe una característica
de pasa altos con un punto de -3 dB superior
a aproximadamente 667 kHz.
Estos ejemplos muestran varios
métodos y variantes estrategias para la
medición de la respuesta en frecuencia de un
dispositivo utilizando un osciloscopio
equipado con FFT, diferenciación, esparcido,
funciones extrema (techo / máximo) y
promedio. El método de respuesta de
paso/impulso, que requiere sólo la fuente de
señal "umbral rápido" del osciloscopio, se
puede utilizar sin necesidad de una fuente de
señal externa. Las otras técnicas requieren un
generador externo. La Tabla 1 resume las
características de cada método.
Tabla 1Resumen de las señales de entrada
utilizadas para medir la respuesta a la
frecuencia.
Método Función
Matemática
Requerida
Fuente de
Señal
Rango
Dinámico
Paso/Impulso FFT, Promedio,
Derivativa,
esparcido
“Umbral
rápido”
función
interna
Moderado
(60 dB en el
ejemplo)
Barrido
Sinusoidal
FFT,
Techo/Máximo
Generador
de ondas
Excelente
(70 dB en el
ejemplo)
Ruido Blanco FFT
Promedio
Generador
de ruido
blanco
Pobre (50
dB en el
ejemplo)
Estas técnicas podrían ahorrar bastante
tiempo la próxima vez que se necesite
realizar mediciones rápidas de respuesta a la
frecuencia [1].
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
Eduardo Daniel Medrano Saucedo. Estudiante de sistemas automotrices de la UACJ
El futuro de la industria automotriz
es el uso de los autos eléctricos. Aquellos
que defienden la implementación de autos
eléctricos destacan que estos no contaminan
el ambiente, pero un inconveniente de la
mayoría de las marcas que hay en el mercado
son las relativamente cortas distancias que
pueden alcanzar antes de tener que recargar
la batería, el tiempo que demora ese proceso
y el número limitado de surtidores de
electricidad.
Sin lugar a dudas, la implementación
de la electrónica es de vital importancia, ya
que por medio de ésta se lleva a cabo todo el
proceso de comunicación entre los sistemas
que intervienen en el automóvil. Los
protocolos de comunicación varían, en la
actualidad los sistemas OBD II con CAN son
los más utilizados en el mercado para todos
los análisis de fallas.
Si bien la infraestructura de
los países no está preparada para recibir al
auto eléctrico, es imperante que se deje de
lado al motor de combustión interna, ya que
éste ha contribuido en gran parte al deterioro
del planeta. La implementación del auto
eléctrico se torna prometedor, las
tecnologías no cesan de avanzar y nuevas
formas de cargar las baterías están siendo
formuladas. Un ejemplo de esto es la
invención de un sistema inalámbrico para
cargar las baterías por medio de inducción,
es sistema consiste en colocar el auto encima
de un placa, la cual cargará a la batería sin
que el conductor tenga que salir del auto.
Bajo el mismo principio, un grupo de
investigadores del a Universidad de Stanford
han propuesto un sistema que le permitiría a
un coche eléctrico rodar indefinidamente
con solo conducir sobre una autopista
especial. La tecnología se llama
transferencia inalámbrica de energía a
vehículos en movimiento -que el equipo de
Stanford ha logrado realizar a través de
resonancia magnética- y que podría
revolucionar el transporte terrestre. Sin
embargo el sistema tiene sus contras y hacen
falta refinamientos a considerar.
El futuro no se basa en la
fabricación de un sistema mecánico más
potente, sino en la implementación de la
electrónica como suplente. La innovación es
la respuesta, aún se está en etapas iniciales;
pero se requiere de mentes revolucionarias
que se atrevan a cambiar el transporte como
lo conocemos.
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
MONITOREO DE ENERGIA
SOLAR DE UN SISTEMA
FOTOVOLTAICO REMOTO
Proyecto de egreso de Eduardo Soto Sáenz, en Sistemas Digitales y Comunicaciones
INTRODUCCION
La energía eléctrica es una de las formas de
energía que en la actualidad se usan en la
industria, en los hogares, en el comercio o en
los medios de transporte. Se caracteriza por
el control, versatilidad y por su limpieza
(particularmente en el lugar de consumo).
Puede ser generada en grandes cantidades, de
forma concentrada en determinados lugares y
transmitida fiable y económicamente a largas
distancias, siendo finalmente adaptada de
forma fácil y eficiente, principalmente para
iluminación y para trabajo mecánico. Una de
las formas de generación de energía eléctrica
son las celdas fotovoltaicas. Es importante
contar con elementos que indiquen el
potencial de la región, con el fin de
determinar en qué áreas o que fin pudiera
tener este potencial. [3]
Los sistemas de transmisión de datos
constituyen el apoyo de los sistemas de
cómputo para el transporte de la información
que manejan. Sin estos sistemas no hubiera
sido posible la creación de redes avanzadas
de cómputo de procesamiento distribuido, en
las que compartir información y transferir
datos entre computadoras con gran difusión
geográfica, sumamente rápido y en grandes
volúmenes.
Los sistemas de trasmisión de datos son
imprescindibles en redes cuyos enlaces
exceden los 20 m. las redes pueden ser
sencillas, como una computadora enlazada a
un dispositivo periférico (como una
impresora), pasando por la conexión de punto
a punto de larga distancia que se satisface con
la utilización de módems o redes ligeramente
más complejas que conectar varias terminales
de computo. [12]
En ECPE workshop Muich se realizó el
estudio de Sonda inalámbrica voltaje para la
medición de la tensión exacta en voltajes de
referencia alta y transitoria, la cual tenía
como objetivo el monitoreo remoto del
voltaje y la visualización del este en un
monitor de computador de manera
inalámbrica, la interface entre el usuario y la
gráfica se puede configurar de manera
individual solo los parámetros que se
requieran, esto sin la necesidad de un
osciloscopio convencional, esto se logró
configurando la señal inalámbrica a 1 GHz,
100 Ms/s, una velocidad de transferencia de
unos poco Mbit/s y un consumo menor de
100 mW y con conectividad IEEE 802.15.4
estándar. [2]
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
Otro proyecto es el Sistema de monitoreo
para recibidores de voltaje sintonizables y
convertidores utilizando técnicas de
comparación de voltaje para los receptores
sintonizables. Un sistema remoto de
monitoreo o determinación de un canal, al
cual un recibir de voltaje sintonizable (o
CATV converter) ha sido incluido un
codificador para la medición de la magnitud
de la sintonización de voltaje aplicada a la
sección de sintonización del recibidor y para
generar un canal representativo de código
digital en respuesta a la sintonización de
voltaje. El código digital generado es
compatible con el equipo remoto y representa
el canal al cual el recibidor se sintonizo. Ya
que la tensión de sintonización no está
linealmente relacionada con el número de
canal de la estación que ha comenzado a
recibir, el codificador utiliza un modo solo
lectura de la memoria o como para almacenar
una codificación representativa diciendo el
número de canal al sintonizador de voltaje
[13].
El laboratorio de climatología de la UACJ
cuenta con dos paneles solares de 12 volts
cada uno, conectados en serie a 2 baterías, por
el momento no está alimentando ningún
componente, solo se genera el voltaje y se
almacena y no se tiene forma de confirmar si
está generando voltaje, solo de manera
manual.
Fundamentos sobre energía solar
Energía Solar: La energía solar directa es la
energía del Sol sin transformar, que calienta
e ilumina. Necesita sistemas de captación y
de almacenamiento y aprovecha la radiación
del sol de varias maneras diferentes:
Utilización directa: mediante la
incorporación de acristalamientos y otros
elementos arquitectónicos con elevada masa
y captación de absorción de energía termina,
es la llamada energía solar térmica pasiva.
Transformación en calor: es la llamada
energía solar térmica, que consiste en el
aprovechamiento de la radiación que
proviene del sol para calentar fluidos que
circulan por el interior de captadores solares
térmicos.
Transformación en electricidad: es la llamada
energía solar fotovoltaica que permite
transformar en electricidad la radiación solar
por medio de células fotovoltaicas
integrantes de módulos solares.
Energía Solar
Ventajas:
• Escaso impacto ambiental. • No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente. • Distribuida por todo el mundo. • No tiene más costes una vez instalada que el mantenimiento el cual es sencillo. • No hay dependencia de las compañías suministradoras.
Inconvenientes:
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
• Se precisan sistemas de acumulación (baterías) que contiene agentes químicos peligrosos. Los depósitos de agua caliente deben protegerse contra la legionelosis. • Puede afectar a los ecosistemas por la extensión ocupada por los paneles en caso de grandes instalaciones. • Impacto visual negativo si no se cuida la integración de los módulos solares en el entorno.
Funcionamiento de una celda solar
Una celda fotovoltaica es una fuente de
energía cuyo voltaje de salida varía en
relación con la intensidad luminosa sobre su
superficie. Una celda fotovoltaica es un
dispositivo pasivo, que no es capaz de
producir energía; su resistencia varía en
relación con la intensidad luminosa en su
superficie. El efecto fotovoltaico; convierte
la energía luminosa que transportan los
fotones de luz, en energía eléctrica capaz de
impulsar los electrones despedidos del
material semiconductor a través de un
circuito exterior.
La luz del sol está compuesta por fotones, o
partículas energéticas. Estas partículas
energéticas son de diferentes energías,
correspondientes a las diferentes longitudes
de onda del espectro solar. Al incidir los
fotones sobre una célula fotovoltaica, pueden
ser reflejados o absorbidos, o pueden pasar a
su través. Los fotones absorbidos son los que
transfieren su energía a los electrones de los
átomos de las células. [6]
Tipos de celdas solares
Estas se pueden dividir en dos categorías:
gruesas y de película delgada.
Gruesa:
El silicio grueso se puede clasificar de
acuerdo a su cristalinidad y el tamaño de los
cristales de los que se pueden obtener
lingotes, obleas o tiras.
• Silicio monocristalino: Fueron las primeras en ser fabricadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas utilizadas en la fabricación de diodos y transistores. Tienen una eficiencia de conversión que varía en el rango del 15 al 24 %. El proceso de fabricación requiere un alto consumo de energía lo cual las hace más caras. • Silicio policristalino: se obtiene cortando longitudinalmente obleas desde un lingote cilíndrico. Son menos eficientes que las celdas mono cristalinas, pero al mismo tiempo son más económicas, su eficiencia varía entre el 12 y 15%. • Tiras de silicio: Se obtienen tiras delgadas a través del silicio fundido. Tienen una eficiencia de conversión entre un 13% y 14%.
Película delgada
• Silicio Amorfo: tienen una eficiencia de conversión inferior al 10%. No poseen estructura atómica cristalina, es bastante desordenada. La eficiencia máxima teórica esperada es de 27 % (Zweibel, 1990). • Multi-union de arseniuro de galio (GaAs): son celdas altamente eficientes alcanzando valores de hasta 39%. Regularmente son utilizadas en aplicaciones especiales como los vehículos espaciales, satélites, etc. Para producir la máxima electricidad posible se seleccionan los semiconductores de manera que sean sensibles y logren absorber energía en todo el espectro solar. • Celdas de teluro de cadmio (CdTe): el cadmio presente dentro de las celdas seria
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toxico si llegase a liberar. La eficiencia máxima teórica es de 25% (Messenger, 2007). • Celdas a base de cobre, indio, galio y selenio: tienen un menor costo con respecto a las de silicio en sistemas de algunos kW. Se han obtenido celdas solares con más de 20% de eficiencia en los siguientes centros de investigaciones MREL (National Renewable Energy Laboratory) y ZSW (Zentrum für Sonnenergie und Wasserstoff Forschung). [7]
Tabla 2 En la siguiente tabla se indica la
eficiencia de los materiales con los cuales se
producen paneles foto voltaicos.
Material Eficiencia
Silicio
monocristalino
15 a 18 %
Silicio policristalino 12 a 15%
Silicio policristalino
transparente
10%
Silicio amorfo 5 a 8%
Teluro de cadmio
(CdTe)
6 a 9% (el modulo)
Cobre, indio, galio y
selenio
7.5 a 95 % (el
modulo)
Sistemas fotovoltaicos híbridos
Los sistemas híbridos se utilizan para reducir
el consumo de combustible y operar el
generador en los puntos la operación de
mayor eficiencia. Se utilizan estos sistemas
en áreas donde la radiación solar en invierno
es significativamente menor que en verano
y/o donde la demanda de electricidad en
invierno excede la de verano como ocurre en
los países nórdicos. En esta situación se
necesitarían sistemas fotovoltaicos capaces
de cubrir la demanda en invierno pero luego
en verano se desperdicia la energía excedente
debido al sobredimensionamiento del sistema.
Como resultado se dimensionarían los
sistemas fotovoltaicos capaces de cubrir la
demanda en los meses de mayor radiación
solar y utilizan un generador de respaldo
(generador diésel o gasolina) en los meses
restantes para cubrir la energía faltante.
Los sistemas híbridos requieren de sistemas
de control que maximicen el uso de los
paneles fotovoltaicos antes de arrancar el
generador. El controlador debe tomar en
cuenta el porcentaje de carga de las baterías.
Típicamente se dimensiona el generador para
que cargue las baterías desde un 20 a un 70%.
Luego se apaga el generador y el sistema
fotovoltaico continuo cubriendo la energía
faltante para aprovechar al máximo la
radiación solar. Las baterías se descargan un
20% debido a la falta de radiación solar y se
vuelve a repetir el ciclo. El
dimensionamiento debe tomar en cuenta que
los generadores operan de manera más
eficiente trabajando cerca de su potencia
nominal, pues las principales perdidas de
origen magnético y mecánico son cuasi
constantes. Los sistemas híbridos pueden
también utilizar algún esquema con
generadores eólicos. [7]
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
Figura 1 Se muestra el diagrama de un sistema
eléctrico hibrido.
La Figura 2 muestra el diagrama de bloques
de transformación de energía eléctrica
continua a alterna, así como el proceso de
monitoreo de esta transformación para
efectos posteriores de graficación.
Figura 2proceso de la transformacion de energia
solar a enerlgia electrica, asi el monitoreo y el
envio de comunicación inalambirca.
Panel solar
Los paneles fotovoltaicos están formados por
células de silicios (Materiales
semiconductores) que, al recibir radiación
solar en forma de luz, generan una diferencia
de potencial o tensión entre sus extremos en
forma de corriente continua. A este fenómeno
se le conoce como efecto fotoeléctrico, que
consiste en la emisión de electrones por un
material semiconductor cuando incide en él
una radiación electromagnética (luz visible o
ultravioleta, en general). Dado que la tensión
que genera cada célula fotovoltaica es en
torno a 0.5 y 0.6, para la construcción de un
panel fotovoltaico se utilizan un número
determinado de células conectadas en serie
hasta conseguir la tensión de salida deseada
(habitualmente se emplean entre 12 y 36 V).
Además se conectan en paralelo varias de
estas redes de células con el fin de aumentar
la intensidad de corriente del conjunto del
panel fotovoltaico. [8]
Funcionamiento del panel solar
El generador fotovoltaico o campo de paneles.
Es el elemento captador de energía que
recoge la radiación solar y la transforma en
energía eléctrica. Está formado por un
conjunto de paneles o módulos fotovoltaicos
conectados en serie y/o paralelo. Que deben
proporcionar la energía necesaria para el
consumo.
La irradiación solar varia en el tiempo debido
a las condiciones climatológicas, a la hora del
día, etcétera, y el valor de la intensidad de
corriente que da el campo de paneles es
aproximadamente proporcional a aquella, si
queremos disponer de energía en cualquier
instante, es preciso contar con un acumulador
de energía. [9]. Las células fotovoltaicas se
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fabrican con semiconductores. Los
semiconductores son elementos que tiene una
conductividad eléctrica muy pequeña, pero
superior a la de un aislante. Cuando los rayos
del sol inciden sobre las células, la unión P –
N de los semiconductores de ella junto con
su metal conductor ayuda a producir energía.
En esta coyuntura, la unión PN son cargas
positivas y negativas que ayudan a producir
corriente eléctrica, debido a una diferencia de
potencial que se crea cuando se ilumina la
célula.
Cuando se cortocircuita la celula (es decir, se
unen las regiones P y N mediante un
conductor con resistencia nula) los electrones
de la región N se desplazan a través del
conductor y se unen con los huecos de la
región P produciendo electricidad gracias al
flujo de electrones, esta corriente se
mantendrá mientras la célula este iluminada.
[22]
Figura 3Muestra las capas que conforman a un
panel solar
Batería acumulador de energia
La batería almacena la energía eléctrica
excedente producida por los paneles
fotovoltaicos, para posteriormente ser usada
en situación de menos o nula irradiación solar
como las que se dan en el periodo nocturno.
Las baterías se pueden conectar en serie o
paralelo dependiendo de las necesidades de
tensión capacidad de instalación.
Regulador de carga
Es un equipo electrónico que regula la carga
de la batería y se descarga a través de los
receptores a alimentar. Evita las sobrecargas
o descargas excesivas de la batería de
acumuladores y asegura que los equipos
operen en todo momento en el punto de
máxima eficiencia. [10]
Para un correcto funcionamiento de una
instalación, hay que instalar siempre un
sistema de regulación de carga en la unión
entre los paneles solares y las baterías. Este
elemento recibe el nombre de regulador y
tiene como misión evitar situaciones de carga
y sobre descarga de la batería, con el fin de
alargar su vida útil.
El mismo regulador trabaja por tanto en las
dos zonas. Dado que los módulos solares
tienen una tensión nominal mayor a la de la
batería, si no existiera regular se podrían
producir sobrecargas. El motivo de que esta
tensión nominal de los paneles sea así se debe
fundamentalmente a dos razones:
• Atenuar posibles disminuciones de tensión por el aumento de temperatura. • Asegurar la carga correcta de la batería. Para ello la tensión del panel deberá ser mayor que la tensión nominal de la batería.
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La dimensión de la instalación solar se realiza
de manera que se asegure el suministro de
energía en las peores condiciones de
luminosidad del sol. Por ello se toman como
referencia los valores de irradiación en
invierno. Esto puede provocar que en verano
la energía aportada por los módulos solares
sea en ocasiones casi el doble de los cálculos
estimados, por lo que si no se conecta el
regular entre los paneles y las baterías, el
exceso de corriente podría llegar incluso a
hacer hervir el electrolito de los
acumuladores, con el riesgo que ello conlleva.
Figura 4flujo de energía eléctrica y cada una de
sus faces hasta el destino final.
Convertidor CC/CA
Su función es alterar la tensión y
características de la intensidad que reciben,
convirtiéndola a la adecuada para los usos
que necesiten (suministro). Existen diferentes
clases de convertidores:
CC. /CC, CA/CC, CA/CA, CC/CA.
El más utilizado en una instalación
fotovoltaica aislada es del tipo CC/CA, que
convierte la tensión del banco de batería a
consumos de 230 voltios de corriente alterna,
a este tipo de reguladores se les suele
denominar inversores. [22]
Estructura del Sistema
Para el acondicionamiento y
conversión A/D se utilizó una placa Arduino
UNO, funcionando como tarjeta de
adquisición de datos de 10 bits. En este
sistema, como se medirá un voltaje mayor a
5 volts, es necesario proteger la placa
Arduino, ya que su voltaje máximo de
entrada es de 5 volts, y en caso de exponerlo
a un mayor voltaje puede causar daños en la
entrada o toda la placa Arduino, por lo que se
utilizó un divisor de voltaje pasivo.
Para el envio de informacion (la
transmisión y recepción de datos) de manera
inalambrico se usó un modulo el Xbee series
2 como se muestra en las siguientes figuras
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Figura 5Transmmisor
Figura 6"Shield" XBee-Arduino
Arduino permite comunicarse de
forma inalámbrica usando el protocolo
ZigBee. Los módulos Xbee Serie 2 proveen 2
formas amigables de comunicación:
Transmisión serial transparente (modo AT) y
el modo API que provee muchas ventajas.
Los módulos Xbee pueden ser configurados
desde el PC utilizando el programa X-CTU.
En el archivo donde se está
graficando la información, tiene una fórmula
que igual la información de la columna del
voltaje al archivo en el cual serán creadas las
gráficas, así como el respaldo de toda la
información capturada. Esta importa los
datos al documento donde se realizaran las
gráficas con la función “if ()”
Figura 7 Muestra como se iguala la columna “B”
al archivo de notepad importado a excel
En la Figura 8 se muestra la
especificación para la captura de 24 horas por
día en la celda “B”, y se asignó a una
columna por día a partir de la columna “D”,
y esta se actualizaría automáticamente.
Figura 8 Rango de 24 horas de captura de mediciones.
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GESTIÓN INTELIGENTE DE
ESPACIOS EN UN LOTE DE
APARCAMIENTO.
Proyecto de egreso de Roberto González Chávez, en Sistemas Digitales y Comunicaciones
Introducción.
Los detectores de vehículos son el
elemento principal de los sistemas
inteligentes de tránsito (ITS). Un sistema
inteligente de tránsito (ITS) es aquel que,
mediante el monitoreo de tránsito, busca
mejorar la seguridad de guiadores y peatones,
reducir el congestionamiento de vehículos,
mejorar el acceso a información de tránsito y
reducir el impacto ambiental generado por el
tránsito [26]. El ITS está formado por
detectores de vehículos, protocolo de
comunicación entre ellos y el sistema, y
tecnologías para el control de tránsito. Para
una gestión inteligente o avanzada de
estacionamientos se utilizan aplicaciones de
un ITS, a estos sistemas se les llama sistemas
avanzados de gestión de estacionamientos
(APMS por sus siglas en ingles). Los APMS
utilizan dos tipos de detectores de vehículos:
los que cuentan la entrada y salida de
vehículos y aquellos que detectan la
disponibilidad de espacios de
estacionamiento [27]. Los detectores de
disponibilidad de espacios de
estacionamiento usualmente se sitúan uno en
cada plaza de estacionamiento debajo (en el
suelo) del vehículo a detectar. También
suelen instalarse encima del vehículo en
estructuras metálicas, estas configuraciones
son típicas de estacionamientos cubiertos. La
mayoría de los detectores utilizan sensores de
ultrasonidos e infrarrojos y cámaras de video.
Estos sistemas se configuran mediante una
red cableada, a través de la cual se alimentan
y comunican con la unidad de gestión.
Además, requieren de mantenimiento
continuo y la participación del usuario (por
ejemplo, cambio de baterías o recarga de
éstas). Los detectores actuales de vehículos
en sistemas ITS y APMS tienen altos costos
de instalación, mantenimiento y consumen
una gran cantidad de energía, por lo tanto no
son viables para implementar una red de
detectores a gran escala. Por otro lado, no se
recomienda el uso de cables para alimentar y
transferir la información de cada detector de
vehículos hacia la unidad de gestión en la red.
Una red inalámbrica de sensores (detectores),
por su flexibilidad de implementación y
escalabilidad es una alternativa muy atractiva
para cualquier sistema APMS. Para que la red
inalámbrica sea eficiente, cada detector
inalámbrico debe ser de bajo costo de
instalación, libre de mantenimiento y muy
bajo consumo de energía. La identificación
automática de vehículos (AVI por sus siglas
en inglés) ha tomado un papel importante en
las ITS, ya que al identificar vehículos, se
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
obtienen datos concretos de la condición del
tránsito. Los AMPS utilizan la AVI
principalmente para el control de acceso a un
estacionamiento y el monitoreo de los
vehículos [28]. El propósito de este proyecto
es implementar un sistema de bajo costo y
bajo consumo de energía para detectar e
identificar vehículos por medio de sensores
magnetorresistivos y la tecnología RFID. Se
pretende que dicho sistema forme parte de
una red inalámbrica de sensores y, por tanto,
enviará de forma inalámbrica la información
a un sistema de gestión de estacionamientos.
Antecedentes.
Un detector de vehículos, al igual que
un nodo sensor autónomo, se compone de
cuatro elementos principales: el elemento
sensor, la etapa de acondicionamiento de
señal, la etapa de procesamiento de la señal y
la interfaz de comunicación (véase la figura
1). El detector de vehículos es el elemento
más importante de cualquier sistema ITS o
SPMS. Su función es detectar la presencia o
el paso de vehículos y convertir esa
información en parámetros de tránsito
(presencia, clasificación, dirección, conteo,
velocidad de vehículos, etc.) en tiempo real
[29]. Típicamente la información recopilada
por el detector, se envía a la unidad de control,
donde, mediante algoritmos (implementados
por software), se genera un plan de acción
que consiste en informar al conductor del
estado actual del tránsito y del número de
plazas disponibles en un determinado
estacionamiento. La información puede ser
enviada al usuario por medio de señales de
tránsito, pantallas LCD, Internet o
dispositivos de comunicación personal
[29,30].
Figura 1 Componentes de un detector de
vehículos
Figura 1. Componentes de un detector
de vehículos [26] El detector de presencia y
el paso de vehículos más utilizado
actualmente es la espira inductiva. Durante
las últimas décadas se han desarrollado
sistemas alternativos al detector de espira
inductiva basados en sensores magnéticos,
ultrasónicos, radar, infrarrojos, cable
piezoeléctrico, tubo neumático e imágenes de
video [25,29]. Sin embargo, el diseño de
estos detectores está enfocado
principalmente hacia la detección de
vehículos en movimiento. Las soluciones
propuestas para detectar vehículos estáticos
se basan normalmente en sensores
magnéticos, ultrasónicos o infrarrojos. A
pesar de que algunos de estos sistemas se
denominan inteligentes o autónomos,
siempre se trata de soluciones que requieren
la participación del usuario para su
mantenimiento y, en particular, para el
reemplazo o recarga de baterías
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(alimentación). En general, las tecnologías
para detectar vehículos se clasifican en dos
grupos (tabla 1) [26]: detectores intrusivos
(in-roadway), que son los que tienen contacto
con el pavimento o que van empotrados en él;
y detectores no intrusivos (above roadway),
no tienen contacto con el pavimento,
típicamente colocados en estructuras por
encima o a un costado de la zona de detección.
Tabla 1 Detector de vehículos según su ubicación
y tecnología de detección
Intrusivo. No intrusivo. Espira inductiva. Sensor magnético (magnetorresistencias). Fibra óptica. Cable piezoeléctrico. Tubo neumático.
Ultrasonido. Radar. Infrarrojo. Cámaras de video. Capacitivos
La necesidad de desarrollar sensores
autónomos para sistemas de control
inteligente de tránsito hace de las
magnetorresistencias (AMR, GMR) un
candidato ideal frente a los detectores
basados en sensores infrarrojos, ultrasónicos,
cámaras de video y espira inductiva.
Actualmente, esta tecnología es la más
robusta y adecuada para detectar vehículos.
Se pueden colocar por encima del pavimento,
no necesitan lentes (como los sensores
infrarrojos), no se ven afectados por distintos
niveles de iluminación (como sucede con los
detectores basados en cámaras de video) y
son robustos a distintos factores
medioambientales como polvo, lluvia, niebla,
viento, etc. Además, están disponibles
comercialmente en circuito integrado a un
bajo costo, tamaño reducido y necesitan
pocos componentes electrónicos para su
acondicionamiento.
ELEKTRONIK Enero-Abril 2016 Vol. 1, Núm. 1
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[23] Arthur Pini, Dec 23, 2015 3:56 PM EST
[24] https://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourier
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https://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourier 4 Spiegel y Abellanas, 1988, p. 182
NOTAS:
5
http://catchupmath.com/hotmath_help/spa
nish/topics/step-function.html 6 http://www.equaphon-university.net/barrido-
senoidal-sine-sweep/ 7 usuarios.multimania.es/proyectofer/Ruido.doc
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