Treviño Chávez Karla Susana - II Girón Nieto Huber - IEC Flores Bautista David - IEC Bear Bardales Darío – IM Couttolenc Bárcena Jaime - IN
ASE I Grupo: “B”
2 de Mayo del 2011
Prototipo de cargador portátil para dispositivos móviles con interfaz USB, mediante energía alternativa 1. Planteamiento del problema La tecnología progresa considerablemente día a día, desarrollando nuevos dispositivos cada vez más pequeños, rápidos y potentes. Estos aparatos pequeños, que sirven de herramientas fundamentales en la comunicaciones, búsqueda y captura de información, se les conoce como dispositivos móviles (celulares, cámaras digitales, reproductores de audio, iPod, iPhone, PDA, GPS, entre otros) (Alonso, 2007). Conforme avanza la tecnología en la industria, los precios bajan, generando que más personas pueden acceder a este tipo de artículos. El crecimiento de este sector aumenta considerablemente cada año, por ejemplo, en el 2000 existían 8 millones de celulares en el mundo, los cuales se convirtieron en 3,300 millones para el año 2007, de la misma manera, la progresión en el periodo 2005-2007 fue del 22% anual (Unión Internacional de Telecomunicaciones, 2008). Otro ejemplo es el iPod touch y el Iphone, estos salen a la venta en el año 2007 (Honan, 2008), aumentando para el año 2009 en 45 millones y 26.4 millones en el mundo respectivamente (Elmer, 2009). Todos estos aparatos, poseen diferentes aplicaciones y herramientas dependiendo del tipo y marca del dispositivo. En el mundo existe una gran variedad de marcas, por ejemplo entre los celulares destacan: Apple, Casio, HTC, LG, Motorola, Nokia, Palm, Pantech, RIM, Samsung, Sanyo, Sony Ericsson; en cámaras digitales destacan: Canon, Casio, Fujifilm, GE, HP, Kodak, Leica, Nikon, Olympus, Panasonic, Samsung, Sigma, Sony. Toda esta gran variedad de dispositivos cuenta con diferentes necesidades energéticas, así como diferentes dispositivos de alimentación dependiendo del tipo, marca y modelo del aparato. Aunque el uso de dispositivos móviles facilita la mayoría de las actividades humanas y aumenta el rendimiento en las comunicaciones, manejo y búsqueda de la información, la cantidad de energía utilizada por la tecnología informática crece rápidamente, representando el 2% de la emisión del carbono en el mundo, equivalente a la emisión de la aviación mundial (Holly, 2007). Según estudios de Climate Group (2007) la velocidad de este sector está creciendo, sobre todo en los países en desarrollo como China y la India, de tal manera que las emisiones se duplicarán para el año 2020 en comparación con los niveles de 2007; esto agregará 1400 millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera, más del doble de Página 1 de 34
las emisiones actuales de toda Gran Bretaña (Climate Group, 2007). El crecimiento de las emisiones de la industria tecnológica se basa generalmente en la energía consumida por sus productos y la intensidad de energía que utilizan, principalmente generada con recursos fósiles. En la actualidad, las fuentes fósiles prevalecen sobre las demás fuentes de energía, ya que la energía generada con combustibles fósiles rebasa el 75% de consumo, mientras que la generación con energías alternativas está por debajo del 10% de consumo mundial (Posso, 2002). Los combustibles fósiles presentan una eficiencia global en sus procesos de conversión, en el mejor de los casos del 36%, tal que, solo 1/3 de la energía contenida en las fuentes fósiles es aprovechada (Posso,2000); las pérdidas son, en su mayoría, por disipación de calor, contribuyendo al calentamiento global. Por lo anterior, la cantidad de dispositivos móviles en el mundo aumenta considerablemente cada año, representando un aumento en la cantidad de energía demandada, principalmente energía generada con combustibles fósiles. Por lo tanto, es necesaria la búsqueda de fuentes alternativas de energía que se encarguen de suministrar energía a estos dispositivos electrónicos y entonces reducir el daño hacia el medio ambiente. 2. Pregunta de investigación ¿Cómo podemos aprovechar las energías alternativas para cargar dispositivos móviles? 3. Descripción del proyecto El proyecto consiste en desarrollar el prototipo de un cargador portátil para dispositivos móviles que posean interfaz USB, utilizando energía alternativa. Para el prototipo, se debe identificar los requerimientos de carga energética, necesarios para la variedad de marcas y modelos, definiendo la mejor fuente de energía alternativa para cargar este tipo de dispositivos. 4. Objetivos 4.1 Objetivo general Desarrollar el prototipo de un cargador portátil de dispositivos móviles con interfaz USB, mediante el uso de energías alternativas. 4.2 Objetivos específicos - Identificar los requerimientos necesarios del cargador. - Diseñar el modelo. -Construir el prototipo. Página 2 de 34
-Probar el funcionamiento de cargador 5. Justificación El prototipo se realizará, debido al aumento de dispositivos móviles en el mundo, ya que esto representa un aumento en la cantidad de energía demandada, principalmente energía generada con combustibles fósiles. Esto beneficiará principalmente a dos sectores: a las personas que utilicen estos aparatos, al poder cargar sus dispositivos en cualquier lugar en que se encuentren; y al medio ambiente en general ya que estos dispositivos móviles se alimentaran de energía alternativa la cual no contamina ni deteriora el planeta.
6. Contenido del marco referencial Dispositivos Móviles Definición Clasificación de dispositivos móviles Dispositivos móviles con interfaz USB Necesidades de alimentación (necesidades eléctricas para la carga de sus baterías) o Voltaje o Amperaje o Otros
Cargadores Definición Conversión de la energía en cargadores Construcción de un cargador
Energías alternativas Definición Tipos de energía alternativa o Energía Solar Definición o Energía Mecánica Definición Cargadores de dispositivos móviles mediante energía alternativa
7. Marco referencial Al realizar el prototipo del cargador de dispositivos móviles con interfaz USB, mediante el uso de energías alternativas, es necesario realizar una investigación documental para entender el entorno sobre el cual se va a trabajar.
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En el marco referencial se abordaran en primer lugar las características de los dispositivos móviles con interfaz USB, desde su definición, clasificación y sus medios de alimentación. Esto con la finalidad de entender cuáles características se deben de tener en cuenta al realizar el prototipo del cargador. En segundo se abordara el método de conversión de energía y las características principales que debe de poseer un cargador, enfocándose principalmente en los pasos necesarios para elaborar un cargador o fuente de alimentación. Por último se mencionaran las energías alternativas, principalmente la energía solar y mecánica, ya que estas serán las optativas para seleccionar el tipo de energía alternativa del prototipo de cargador. Además se mencionara un ejemplo del uso de las energías alternativas para cargar dispositivos móviles, con el fin de observar cuales son los factores que se tomaron en cuenta al elaborarlo. 7.1. Dispositivos Móviles Un dispositivo móvil se puede definir como un aparato pequeño, de fácil uso y manejo, que permiten su traslado a cualquier lugar sin dificultad y cuyo consumo se hace sin necesidad de conexión eléctrica fija (Tiziana Priede Bergamini, 2007). Un dispositivo móvil posee capacidades de procesamiento, conexión a una red y con memoria limitada, que ha sido diseñado específicamente para una función, pero que puede llevar a cabo otras funciones más generales. De acuerdo con esta definición existen diferentes dispositivos móviles: los reproductores de audio portátiles, navegadores GPS, teléfonos móviles, los PDAs, entre otros. (Alonso, 2007) 7.1.1. Clasificación de dispositivos móviles Según Tiziana Priede Bergamini (2007), considera a los siguientes tipos de dispositivos móviles como los más importantes por su frecuente uso:
Teléfonos móviles: Terminal móvil de telefonía que permite la comunicación vía voz, mensaje de texto, mensaje multimedia o, en algunos modelos de generación 3G, videotelefonía. PDA (Personal Digital Assistant): también llamados ordenadores de bolsillo, se distinguen por la ausencia de discos duros, los cuales son sustituidos por pequeñas tarjetas de memoria. Este tipo de dispositivo incorpora las aplicaciones de: agenda, calendario, gestor de correo, etc., pudiéndose añadir programas adicionales en función de las necesidades de cada usuario. iPod: Son reproductores digitales de música con un pequeño disco duro. Poseen una interfaz simple y de fácil utilización. Este reproductor ha sido diseñado por la empresa Apple. Página 4 de 34
Consolas portátiles. Sistema de hardware o software, o la combinación de ambos, diseñada para que el consumidor juegue con videojuegos e incluso se pueda conectar a Internet. Navegadores GPS: Combinación de hardware y software que permite la localización geográfica vía satélite de personas, objetos o vehículos gracias a un transmisor-receptor Global Positioning System (de ahí su denominación por las siglas en inglés). 7.1.2. Dispositivos móviles con interfaz USB
El USB (Universal Serial Bus) es un puerto que sirve para conectar periféricos a una computadora, permitiendo una gran transferencia de datos (Ramsland, 1998), este puerto de entrada se introdujo para unificar el gran número de conexiones distintas que tenían habitualmente las computadoras (Dembowski, 2003). Interfaz se define como la conexión física y funcional entre dos aparatos o sistemas independientes (Real Academia Española, 2010). Por lo tanto los dispositivos móviles con interfaz USB son aquellos que poseen una conexión USB que permite la interacción con otros dispositivos. Esta conexión permite la carga de batería y la transferencia de archivos entre el dispositivo móvil y una computadora. 7.1.3. Necesidades de alimentación para la carga de dispositivos móviles La alimentación para cualquier dispositivo electrónico está dada por dos factores importantes, la corriente y el voltaje: Corriente se refiere al flujo de las cargas eléctricas en el espacio en una dirección determinada. Existe una corriente eléctrica cuando hay un flujo neto de carga eléctrica en una dirección específica del espacio, algo similar al número de electrones que circulan por el conductor (Gobierno Bolivariano de Venezuela, 2008). Voltaje es la potencia eléctrica entre dos puntos, o el trabajo realizado por unidad de carga en el campo eléctrico. Está relacionado con el tiempo, de modo que se mide la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado (Boylestad, 2004). Todos los dispositivos móviles requieren de voltaje y amperaje (corriente) específico para su funcionamiento, de tal manera que al no poseer estas características específicas, el dispositivo no funcionara bien ni permitirá su carga. En la tabla siguiente se seleccionaron dispositivos de diferentes marcas tomando en cuenta el modelo típico que ofrecía cada compañía:
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MARCA MODELO VOLTAJE AMPERAJE
LG E900 3.7 v 1500 mAh
MARCA MODELO VOLTAJE AMPERAJE
MARCA MODELO VOLTAJE AMPERAJE
Baterías de Teléfonos celulares Samsung Sony Ericsson Msn P1i 3.7 v 3.6 v 1480 mAh 1120 mAh
Motorola Android 2.1 3.7 v 1420 mAh
Baterías de PDA (Personal Digital Assistant) Acer HTC Liquid Desire 3.7 v 3.7 v 1300 mAh 1200 mAh
Cargadores de celulares Sony Ericcson Black Berry P1i Curve 5.1 v 5.1 v 350 mA 700 mA
Black Berry 9700 Bold 3.7 v 1250 mAh
Palm Pre 3.7 v 1200 mAh
LG IP 5.1 v 700
Las tablas se basan en los manuales de cada uno de los dispositivos. (LG, 2010), (Samsung, 2010), (Sony Ericcson, 2007), (Motorola, 2008), (BlackBerry, 2010), (Acer, 2009). 7.2. Cargadores Un cargador para dispositivos móviles es un cargador portátil que permite a los usuarios restablecer la energía a sus dispositivos electrónicos. Cuando un consumidor decide comprar un cargador de móvil, normalmente está buscando un cargador de teléfono. Un cargador de móvil también puede recargar dispositivos, como reproductores multimedia, cámaras digitales o asistentes digitales personal (PDA). (Rank Estudio, 2010) Los cargadores permiten cargar y utilizar los dispositivos en cualquier lugar, siempre y cuando una fuente de alimentación está disponible. Al adquirir un cargador se debe comprobar la compatibilidad con el dispositivo, seleccionando un cargador móvil compatible no sólo con el fabricante del dispositivo sino también con su modelo específico. Algunos teléfonos pueden cargarse utilizando un cargador de otro modelo, sin embargo debe evitarse ya que esto puede ocasionar daños en el dispositivo. (Gonzales, 2011) En la actualidad existen cargadores de dispositivos móviles que son capaces de utilizar conexiones de bus serie universal (USB) para recargar dispositivos. Cualquier dispositivo que utiliza una conexión USB, como una cámara digital, PDA o un teléfono celular, puede ser conectado a través de un puerto USB y cargado. (Rank Estudio, 2010)
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7.2.1. Conversión de la energía en cargadores La conversión de energía se define como el proceso de transformar la energía de una forma a otra, por ejemplo de calor a electricidad, de electricidad a luz, de calor a movimiento, entre otros. De la misma manera, puede transformarse de electricidad a electricidad cambiando las propiedades de la señal de entrada. (Wholesale, 2010) Los dispositivos electrónicos requieren de energía, cada uno con diferentes características según sea requerido por el circuito. Estas características son voltaje y amperaje por mencionar algunas. El voltaje es una de las características más importantes a considerar en la construcción de un circuito este se presenta en: voltaje de corriente alterna y voltaje de corriente directa. El voltaje de corriente alterna es el que se tiene en una toma de energía de cualquier casa doméstica o la energía que se genera de un dinamo (energía mecánica), su principal característica es que tiene una -señal sinusoidal como se muestra en la siguiente figura: + Amplitud
+
Periodo
Esta figura representa la señal del voltaje de corriente alterna, la amplitud representa la cantidad de voltaje, entre más voltaje la amplitud será también más grande, y al contrario, entre menos voltaje, la amplitud de la señal será más pequeña. Se puede observar en la imagen que la señal tiene dos amplitudes positivas y dos negativas, lo que indica que el voltaje domestico esta un periodo de tiempo en valor positivo y otro negativo. También se observa el periodo, el cual se encarga del tiempo en que estará la señal positiva o negativa (es por eso que está en función del tiempo), sin embargo los periodos en señales de voltaje son sumamente pequeños, es por eso que a la vista del ser humano no se pueden detectar estos cambios que son del orden de micro segundos. El voltaje de corriente directa o continua es el que se ocupa en muchos dispositivos, por ejemplo en los cargadores. Su principal característica es que no tiene variaciones en el tiempo, y no presenta voltajes positivos o negativos, es constante. La representación gráfica de voltaje de corriente continuo es la siguiente: Página 7 de 34
Se observa en la imagen anterior que a pesar de una variación de tiempo de 0.5 la señal es constante, y se observa que lo único que muestra es la cantidad de voltaje, es decir que si hay más voltaje, la señal estará más alejada del origen, y al contrario entre menor voltaje, estará más cercana al origen. Debido a que la señal de corriente suministrada por la mayoría de energías alternativas es corriente alterna y un cargador requiere corriente continua para su correcto funcionamiento, se requiere de un proceso para convertir de alterna a continua. Este proceso de esta conversión de energía consiste primero disminuir el voltaje de entrada, luego eliminar la señal de voltaje negativa, después disminuir lo mayor posible los picos de esta señal, para hacerla constante, cada parte de este proceso requiere de uno o más elementos electrónicos. Y explicado con mayor detalle se encuentra el siguiente esquema, después una breve explicación con los elementos electrónicos que se encargan de cada paso.
(Holt, 1989) El primer paso es la conexión a la fuente de energía de corriente alterna. El segundo paso es reducir la tensión para lo que el transformador se encarga, mediante la utilización de campos electromagnéticos, de convertir la tensión alterna en otra tensión, también alterna, pero de un voltaje menor. El transformador para una alimentación estabilizada debe ser, un transformador separador.
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El tercer paso es el puente rectificador, este está compuesto por cuatro diodos encapsulados colocados de tal forma, que dependiendo del semiciclo de alterna en que nos encontremos, estarán polarizados directamente, y por lo tanto, conducirán, pares de diodos distintos, consiguiendo que a la salida del puente exista una señal de voltaje con todos los semiciclos de un mismo signo (de una frecuencia doble que la de entrada). Es decir entra la señal alterna, y el efecto de los diodos (rectificador) elimina la parte negativa de la señal, transformándola a pulsos positivos más pequeños y con un periodo más rápido.
El cuarto paso es el filtro utilizando un condensador, que tendrá como misión amortiguar los voltajes que se le aplican, es decir, a partir de la señal pulsante del mismo signo de la que produjo el puente rectificador. Este efecto se consigue debido a que cuando el voltaje alcanza su valor máximo dentro de semiperiodo (tensión de pico), el condensador se carga, y cuando el voltaje va disminuyendo rápidamente a un valor mínimo (final del semiperiodo), el condensador, que estaba cargado, se va descargando lentamente, manteniendo una diferencia de potencial entre sus extremos que poco disminuye.
Por último el quinto paso es el regulador de tensión que tiene como tarea mantener constante el nivel de tensión de salida 5 V, 3 V, sin importar el consumo que haya y compensando las fluctuaciones que se produzcan, el capacitor anterior también colabora en esta tarea. El regulador también elimina el "rizado" de tensión que proporciona el filtro de la fuente.
(Lopez, 2004) Página 9 de 34
7.3. Energías alternativas Las fuentes de energía alternativa se definen como las fuentes de energía que son capaces de suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación (Biblioteca sobre Ingeniería Energética, 2009). Algunos de tipos de energía alternativa son: eólica-producida por el movimiento del viento, solar-utiliza la radiación solar, geotérmica-uso del agua que surge bajo presión desde el subsuelo, biomasa-utiliza la descomposición de residuos orgánicos, hidráulica-derivada de la evaporación del agua, mareomotriz-derivada de las corrientes marítimas, mecánica-generada por movimientos mecánicos de cualquier tipo, entre otros (Kröger, 2006). 7.3.1. Energía solar La energía solar es una fuente prácticamente inagotable, y obtiene su energía de los rayos del Sol. Para convertir la energía solar en energía eléctrica se utilizan celdas fotovoltaicas. Para el proceso de conversión de energía solar a energía eléctrica, primero debemos tomar en cuenta que la luz está compuesta de fotones con diferentes energías. Cuando un fotón con energía suficiente choca con un átomo de algún material, por ejemplo el silicio, el átomo absorbe la energía del fotón y un electrón del material queda en un estado excitado por la energía absorbida, lo que permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en lugar de uno son varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente eléctrica bajo ciertas condiciones y, por lo tanto, generarse electricidad a partir de energía solar. (Mazón, 2003)
Este proceso se logra solo utilizando materiales semiconductores, es decir elementos que no conducen bien la electricidad como el cobre, pero que también no son buenos aislantes como el corcho. Algunos ejemplos de estos semiconductores son el germanio y el silicio, este último es el que más se utiliza en la fabricación de celdas solares. Estos dispositivos tienen grandes ventajas ya que es una energía limpia, y es prácticamente gratis. Sus desventajas son que apenas tienen un 22% de eficiencia máxima, en cuanto a la energía que captan del sol y logran convertir a eléctrica (Mazón, 2003), Página 10 de 34
también es necesario saber cuál será la aplicación para poder determinar si energía solar es una opción adecuada para el proyecto o no. Para un cargador de dispositivos con interfaz USB, la energía solar tiene ventajas, ya que se carga un dispositivo con energía gratis. El tiempo de carga solo depende del panel solar, lo cual no es un problema debido a que existen paneles solares que fácilmente satisfacen en las necesidades que requiera el circuito. Sin embargo en este proyecto también se tienen desventajas para usar un panel solar, ya este tiene un precio elevado, y para ocupar energía solar es necesario que haya luz, si no hay luz no hay energía solar y por lo tanto no hay energía eléctrica, por lo que el usuario no podría cargar su dispositivo en la noche. (Arias, 2009)
7.3.2. Energía mecánica La energía mecánica es aquella energía generada por movimientos constantes, tales como las olas del mar, el viento, la caída de aguas, entre otros. Para convertir esta energía mecánica en energía eléctrica se utilizan generadores de inducción electromagnética. Los generadores por inducción electromagnética, funcionan al inverso de un motor. El fenómeno de inducción electromagnética consiste en producir una f.e.m. y una corriente en un circuito en él que está variando el flujo magnético que lo atraviesa. Como un generador eléctrico es un aparato que produce energía eléctrica a partir de energía mecánica, podemos concluir que un generador es un aparato inverso del motor. No hay diferencia esencial entre la construcción de un generador (también conocido como dinamo) y de un motor; tan es así es que una máquina diseñada para servir como generador; constituido por un rotor ferromagnético montado sobre un eje y un embobinado; este rotor se encuentra situado dentro de un campo magnético uniforme, creado por un imán permanente. Aplicando un movimiento giratorio al rotor, se logra que el embobinado de esté, corte las líneas de fuerza del campo magnético, induciéndose en él una corriente y una f.e.m. La magnitud de la f.e.m. inducida dependerá del número de espiras del embobinado del rotor, de su área, de la velocidad de giro y de la inducción magnética del campo externo (Orozco, 2009). 7.3.2.1 Usos de la energía mecánica Uno de los principales usos de la dinamo es la utilización de la energía hidroeléctrica, de esta forma el agua hace rotar las turbinas conectadas al eje de la dinamo, produciendo electricidad y aprovechando esta fuente de energía inagotable.
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Han sido ampliamente utilizadas por los ciclistas durante años. Gracias a la dinamo, que genera energía eléctrica, los ciclistas han podido circular por las noches por la carretera con una mínima iluminación. En realidad, las denominadas dinamos de bicicleta, son alternadores; ya que consisten en un imán, solidario al eje de giro, y una bobina estática, sin delgas, ni escobillas, que rectifiquen la corriente. La corriente así producida es alterna y no continua, a pesar de ello, tradicionalmente, se les ha llamado dinamos. El extremo del eje de la dinamo porta un cabezal que se apoya a voluntad en el neumático de una de las ruedas, de modo que al girar la rueda gira a su vez la dinamo. El sistema es bastante rudimentario y produce un apreciable rozamiento que obliga a pedalear con fuerza. Debido a esto y a la reciente aparición de modernos sistemas de iluminación, con baterías de litio y lámparas de LED’s, de gran potencia y autonomía, actualmente las dinamos de bicicleta están en desuso. (Comision de energia Argentina, 2009) 7.3.2.2. Propiedades de un generador eléctrico En los generadores eléctricos se necesita fuertes campos magnéticos, lo cual se podría conseguir elevando la intensidad de la corriente que pasa por un conductor o utilizando un núcleo de hierro. Arrollando el conductor recto para formar varias s que constituyen una bobina, esta es una forma de conseguir una gran longitud de conductor y por lo tanto, siendo igual la intensidad de la corriente, un fuerte flujo magnético concentrado en un lugar. Una bobina magnética está formada por varias espiras (w) de un conductor eléctrico. Un conductor arrollado de esta forma de le llama un solenoide (bobina con núcleo de aire). La causa de la amplificación del flujo magnético mediante una bobina radica en la adición de los campos magnéticos de cada una de las espiras. Si se eleva el número de espiras se refuerza todo el campo magnético de la bobina. El campo magnético en el interior de un solenoide forma un haz denso. Fuera del solenoide se ensancha y se vuelve a cerrar en sí mismo formando arcos de mayor p menor extensión alrededor del arrollamiento. El sentido del campo magnético de una bobina, dependiente del sentido de paso de la corriente, se puede determinar siguiendo la regla de la mano derecha. Un conductor eléctrico dispuesto formando espiras para constituir una bobina, cuando está recorrido por una corriente eléctrica, adquiere propiedades magnéticas similares a las formas de comportamiento generales de un imán permanente. (Generador electrico, 2010)
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7.3.3. Cargador de dispositivos móviles mediante energía alternativa ICP Global Technologies sacó al mercado un cargador portátil solar bastante efectivo y con el cual es posible tener una autonomía casi total en lo que respecta a la carga de ciertos aparatos que estaban limitados en uso por requerir corriente eléctrica.
Conteniendo diversos adaptadores para conectar una diversidad de aparatos, este cargador portátil tiene una gran gamma en lo que respecta a su uso, elevando las posibilidades al contar con un adaptador de tipo socket hembra del mismo tipo que usan los encendedores de fuego para automóviles.
Con conexiones tipo "plug", se conecta el adaptador socket hembra al cargador. Es importante que de acuerdo al aparato que se vaya a cargar, seleccionar de entre los adaptadores disponibles del cargador.
Una vez conectado el adaptador, se abre el cargador solar, donde los dos paneles solares se encargaran de captar la luz del sol. El dispositivo cuenta con un botón amarillo de prueba, el indicador verde se encenderá indicando que hay suficiente luz solar y la unidad se encuentra lista para trabajar. Es importante orientar hacia el sol el aparato para lograr los mejores resultados. (iSun, 2010) Página 13 de 34
Algo importante a considerar es el manejo de la corriente, el dispositivo cuenta con un seleccionador para aquellos aparatos que carguen a 6 Voltios o menos, donde se usaran diversos adaptadores y a 12 Voltios cuando se utilice el socket tipo hembra, Es necesario poner atención a las especificaciones tanto del cargador como de los aparatos que se vayan a conectar.
Otra característica de este dispositivo es la opción de conectar dos o más cargadores del mismo tipo para duplicar la corriente. Al igual que otros aparatos, hay que tener cuidado con el agua, la humedad, el tirarlo o cualquier descuido que provoque su mal funcionamiento. (Ruiz, 2010)
8. Metodología 8.1 Identificar los requerimientos necesarios del cargador. - Definir categorías de dispositivos móviles(tabla sintetizada - Seleccionar muestra de dispositivos móviles(criterios de selección y tabla voltaje y aumentar) - Describir los requerimientos de voltaje y amperaje de los dispositivos - Identificar requerimientos de conversión de energía(rango de selección de voltaje y amperaje)
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8.2 Diseñar el modelo. -
Modelo o Identificar características de la fuente o Elaborar circuito regulador de voltaje y corriente(diagrama de bloques y explicación) o Simular en Multisim (programa simulador de circuitos electrónicos) 8.3 Construir el prototipo. - Comprar componentes(tabla de precios) - Probar componentes comprados - Simular en Multisim circuito con valores de componentes comprados - Construir en Protoboard - Construir en circuito impreso 8.4 Probar el funcionamiento del cargador -
Medir con multímetro el amperaje y voltaje de salida Probar la conducción y carga del dispositivo
9. Resultados 9.1 Identificar los requerimientos necesarios del cargador. Un dispositivo móvil se define como un aparato pequeño, de fácil uso y manejo, que permiten su traslado a cualquier lugar sin dificultad y cuyo consumo se hace sin necesidad de conexión eléctrica fija (Tiziana Priede Bergamini, 2007). Al realizar el marco referencial se obtuvo la siguiente tabla de algunos tipos de dispositivos móviles:
Dispositivos móviles
Reproductor de audio Teléfono celular Cámara Navegador GPS PDA iPod, iPhone Consolas Portátiles
De la tabla anterior se decidió enfocar el cargador de dispositivos móviles a teléfonos celulares, esto con la intención de establecer una muestra donde se puedan observar todas sus
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características. Por lo tanto se practicó un sondeo a personas aleatoriamente para saber que marcas de celulares utilizaban basándose en las siguientes características:
Popularidad de ciertas marcas que se consideran como las más utilizadas por la sociedad debido a su competitividad en el mercado que figuran. Precios accesibles. Diversos medios de conectividad (Bluethooth, Wifi, Infrarrojo). Diseños innovadores y estilizados. Marcas globalizadas y por lo tanto se pueden conseguir fácilmente.
Como resultado del anterior sondeo las marcas más utilizadas fueron 6, Nokia, Samsung, Blackberry, Motorola, LG y Sony Ericsson. Posteriormente se realizó otro censo donde se obtendría la información de los voltajes y amperajes de cargadores de diferentes modelos de dispositivos de las marcas anteriormente mencionadas, estos datos establecerán el voltaje y amperaje se deberá utilizar para abarcar el mayor número posible de dispositivos al realizar el prototipo de cargador usando energía alternativa. La siguiente tabla muestra los 60 datos que se obtuvieron.
Nokia
Marca
Samsung
Marca
Modelo Xpress music 5500 C3 1208 E63 N97 6131 2630 1100 N95 N73
Voltaje 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 6.0 V 5.0 V 5.0 V 3.7 V 5.0 V 5.0 V
Amperaje 890 mA 350 mA 800 mA 890 mA 800 mA 350 mA 650 mA 350 mA 350 mA 350 mA
Modelo GT-E2121L Messenger phone GT-M3710 S2530 GT-S5230 Star S5560 i8000 GT-E1085 GT-S5560 GT-E1086L
Voltaje 4.75 V 5.0 V 4.75 V 4.75 V 3.7 V 5.0 V 5.0 V 4.75 V 5.0 V 4.75 V
Amperaje 550 mA 700 mA 550 mA 550 mA 800 mA 700 mA 700 mA 400 mA 700 mA 550 mA Página 16 de 34
Blackberry
Marca
Motorola
Marca
LG
Marca
Modelo Curve 9300 Curve 8520 Curve 3 9520 Bold 9700 8320 Bold 9000 8350i Pearl 8130 Storm 2
Voltaje 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 8.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V
Amperaje 700 mA 700 mA 750 mA 700 mA 550 mA 700 mA 500 mA 700 mA 700 mA 700 mA
Modelo PSM4841B FMP5202A SPM55337A FMP5202A Plm4678a SPN4604A SPN4973A SPN4672A SPN5200C PSM4963B
Voltaje 5.9 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 4.0 V 4.4 V 5.9 V 7.0 V 5.0 V 5.0 V
Amperaje 350 mA 850 mA 550 mA 850 mA 350 mA 1100 mA 400 mA 300 mA 850mA 800 mA
Modelo KP100 540 360 GW300 GU200a GD350 GS107a C105 E900G GU230
Voltaje 4.8 V 5.1 V 5.1 V 5.1 V 4.8 V 5.1 V 4.8 V 4.8 V 4.8 V 4.8 V
Amperaje 400 mA 700 mA 700 mA 700 mA 400 mA 700 mA 400 mA 400 mA 1000 mA 400 mA
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Sony Ericsson
Marca
Modelo CST-15 X10a U5 X10 mini J108 T715 X10 mini pro M1 X8 W205
Voltaje 5.0V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V 5.0 V
Amperaje 350 mA 700 mA 700 mA 850 mA 550 mA 850 mA 850 mA 850 mA 850 mA 850 mA
De los datos obtenidos anteriormente se estableció cual debía de ser el voltaje y amperaje de salida del prototipo de cargador. Este dato se obtuvo basándose en la investigación del marco referencial, donde se explica que: el voltaje del cargador debe de ser constante, mientras que la corriente debe de ser capaz de alimentar la carga (celular, batería) con la corriente que esta solicite; esto quiere decir que al cargar un celular con un voltaje fijo, no es necesario darle una corriente especifica ya que el celular pedirá la corriente que el necesite. Por lo tanto al abarcar una mayor corriente se podrán cargar una mayor cantidad de dispositivos móviles, esto dependerá de la impedancia que posea el celular.
Requerimientos de conversión de energía Voltaje seleccionado 5.0 V Amperaje máximo seleccionado 200 mA
9.2 Diseñar el modelo. Después de obtener los datos necesarios de salida del cargador, fue necesario seleccionar una fuente de energía alternativa capaz de proporcionar la energía suficiente para alimentar al cargador. Se eligió utilizar un generador por inducción electromagnética por sus altas capacidades de generación de energía eléctrica, se compró un generador para utilizarse como fuente de alimentación del circuito del cargador, sin embargo fue necesario identificar las características del generador con el fin de poder realizar los cálculos correctos al realizar el circuito del cargador. El generador por inducción electromagnética consta de un motor, un sistema de engranaje y una palanca, donde al darle vueltas a la palanca, los engranes se moverán y harán moverse el rotor del motor generando un voltaje de inducción en las terminales del motor. Página 18 de 34
Terminales Sistema de engranes Motor
Palanca
El voltaje de inducción generado en las terminales dependerá de la velocidad angular del rotor, esto quiere decir que dependerá de la velocidad con la que se le dé vueltas a la palanca. Se realizaron diferentes pruebas con el generador variando la velocidad de giro y la resistencia de carga conectada en las terminales del generador, esto con la finalidad de observar la corriente y el voltaje que se podía inducir. De la prueba se obtuvo la siguiente tabla:
Frecuencia Resistencia Frecuencia obtenida a de carga utilizada la salida
10Ω a 10W
1 Hz
1.1KHz
Voltaje obtenido
Imagen
2v
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10Ω a 10W
Máxima frecuencia
1.5KΩ a 25W
2 Hz
2.175KHz
18v, 20.8vpp
1.5KΩ a 25W
Máxima frecuencia
12.43KHz
20v, 35.6vpp
11.15MΩ
Máxima frecuencia
527.9Hz
117vpp, 40v(voltaje promedio)
5v
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Los resultados obtenidos de la tabla anterior demostraron que es posible exigirle al generador un voltaje de hasta 120 v pico, al igual que un voltaje de 5v con una corriente de 500 mA, suficiente para poder alimentar el circuito del cargador. Posteriormente se realizó un diagrama de bloques con el fin de determinar cuáles etapas de un cargador necesitamos en nuestro circuito, así como los diferentes componentes que podríamos utilizar:
El primer bloque es la fuente, ya que ella alimentara todo el circuito permitiendo tener la energía para cargar el celular. El segundo consiste en convertir la energía de corriente alterna inducida en el generador y convertirla a corriente continua, esto se puede realizar con un puente de diodos. EL tercer bloque es la etapa del filtro donde se genera un nivel de voltaje constante sin ningún cambio en el tiempo, para lo cual se utiliza capacitores. El último bloque consiste en un regulador de voltaje que determinara cual será el voltaje de salida del circuito, permitiéndonos seleccionar un voltaje especifico, para este último bloque se pues utilizar algún integrado de la familia LM78XX o diodos Zener. Después de obtener el diagrama de bloques guía para realizar el circuito, se realizaron dos diferentes propuestas de prototipo en el simulador Multisim, con la intención de poder observar dos diferentes circuitos que realizan la misma conversión y seleccionar aquel que tiene un mejor funcionamiento. El circuito de la primera simulación resulto de la investigación realizada en el desarrollo del proyecto. Este circuito contiene una parte de rectificación de la señal para eliminar corriente alterna, después un filtro ocupando un capacitor para amortiguar el voltaje y hacer la señal lo más continua posible, se ocupa un capacitor grande debido a que la señal obtenida de la parte rectificadora aún tiene picos grandes en voltaje. Ya con la señal continua, ahora se procede a disminuir el voltaje de salida, y esto se logró en dos pasos, primero se ocupa un transistor MC7809, el cual se encarga de disminuir el voltaje de salida a 9V, después por medio Página 21 de 34
de un diodo zener el voltaje se reduce a 5.1v (no reduce a 5v exactos debido a las características del diodo). Para conectar el diodo zener se debe poner un resistencia, ya que el diodo zener bajara el voltaje a 5.1v, pero el voltaje restante que es 3.9v se ira a esta resistencia. Ahora que ya se tiene el voltaje deseado, por ley de ohm se obtiene la resistencia (es la misma que está conectada para regular el voltaje mediante el diodo zener) para obtener una corriente de 200mA a la salida:
19.5Ω
Finalmente se conecta una resistencia a la salida del circuito, esto para simular la impedancia que se tendría al conectar el celular, también para simular la señal generada por el dinamo se ocupó una fuente de voltaje en el circuito virtual. El circuito en la primera simulación es el siguiente:
La imagen siguiente muestra como el circuito funciona correctamente, ya que tiene lo deseado, una señal continua y un voltaje de salida de 5v.
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Al realizarse el circuito número uno se tomó en cuenta que este podía tener un alto consumo de corriente y que la fuente (dinamo) no podría dar la corriente suficiente para alimentar el circuito; por lo tanto se realizó un circuito numero dos como optativa, con una regulación directa a 5v y una regulación de corriente máxima dependiente de la resistencia de carga. En la imagen siguiente se simula el circuito con los valores nuevos, utilizando un potenciómetro (resistencia variable) simulando la impedancia del celular.
Este circuito funciono correctamente y esto se puede comprobar en la siguiente imagen, donde se aprecia el voltaje de 5v a la salida.
9.3 Construir el prototipo. Después de tener los circuitos en el simulador, se realizó una lista de componentes con valores comerciales del prototipo 1 y 2, los que se compraron tal y como muestran las siguientes tablas:
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Tabla de componentes del Prototipo 1 Componente
Cantidad
Precio (MN)
Capacitor cerámico 100 nF
1
$ 1.00
Capacitor electrolito 1000 μF
1
$ 3.00
Conector USB hembra
1
$ 9.00
Diodo zener 5.1 V
1
$4.00
Generador por inducción electromagnética (dínamo)
1
$ 60.00
Puente de diodos DB107
1
$ 5.00
Regulador de voltaje 7809
1
$ 5.00
Resistencia 10 Ω
2
$2.00
Total
$89.00
Imagen
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Tabla de componentes del Prototipo 2 Componente
Cantidad
Precio (MN)
Capacitor cerámico 100 nF
1
$ 1.00
Capacitor electrolito 1000 μF
1
$ 3.00
Conector USB hembra
1
$ 9.00
Generador por inducción electromagnética (dínamo)
1
$ 60.00
Puente de diodos DB107
1
$ 5.00
Regulador de voltaje 7805
1
$ 5.00
Total
$ 83.00
Imagen
Después de comprar los componentes se realizó una nueva simulación con los componentes comprados: del prototipo 1 se realizó una simulación con dos resistencias de 10Ω en serie, debido a que el valor de 19.5Ω no es comercial; el prototipo2 no fue necesario realizar una segunda simulación debido a que los componentes comprados fueron iguales a los anteriormente simulados. El circuito de la imagen siguiente muestra la segunda simulación, donde como se explicó antes, solo cambia la resistencia de 19.5Ω por dos de 10Ω.
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Al finalizar la segunda simulación y comprobar que la salida era la deseada se procedió a simular el circuito físicamente, es decir en un Protoboard, se hicieron las mismas conexiones con los mismos elementos que en la segunda simulación virtual, pero en el caso del prototipo 1 no se obtuvieron los resultados esperados, analizando el circuito y el dinamo mecánico, se llegó a la conclusión que la máxima corriente generada por el dinamo es menor a la corriente que se estaba exigiendo en el circuito y al no poder generar esa gran cantidad de corriente, el circuito no daba a la salida los resultados deseados.
Prototipo 1
Prototipo 1 prueba sin respuesta en voltaje
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En consecuencia se realizó la simulación del prototipo 2 en Protoboard, cuyas pruebas demostraron que este circuito generaba el voltaje adecuado para la carga de los dispositivos celulares.
Prototipo 2 y definitivo
El resultado de la prueba prototipo 2 genera aproximadamente 5 volts
El prototipo 2 se seleccionó como el prototipo definitivo para este proyecto, por lo que era necesario pasar ese circuito a circuito impreso, con la intención de crear un circuito más estable y fácil de utilizar en las pruebas. El circuito impreso se realizara en el programa “Eagle”, el cual permite generar circuitos impresos en la computadora fácilmente. La siguiente imagen muestra el programa Eagle y el circuito impreso diseñado:
La siguiente foto muestra el prototipo con circuito impreso finalizado: Página 27 de 34
9.4 Probar el funcionamiento del cargador Al finalizar el prototipo se realizaron pruebas con diferentes celulares, esto se realizó conectado los dispositivos al prototipo de cargador, las partes de este prototipo son las siguientes:
Circuito impreso
Conexión USB
Generador
Palanca Página 28 de 34
Los pasos para conectar el dispositivo celular al prototipo de cargador son: conectar el cable del dispositivo al prototipo de cargador, conectar el dispositivo y darle vueltas a la palanca para que comience a cargar el celular.
Después de conectar el dispositivo celular al prototipo de cargador, se realizó la prueba de conducción y carga del dispositivo, en esta, se monitoreo el voltaje y el amperaje que se producía al momento de cargar diferentes celulares:
Marca
Modelo
Voltaje
Amperaje
LG
KM380
5.0V
100 mA
Nokia
Xpress
5.0 V
135 mA
Alcatel
OTI03
5.0 V
110 mA
Samsung
GT-S5230
5.0 V
Indeterminado
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Prueba con multímetro de la corriente generada por prototipo 2 La prueba de carga demostró que el prototipo permite la carga de ciertos dispositivos celulares, principalmente aquellos que poseen un consumo de corriente relativamente bajo e intermedio (basándose en las tablas de datos de celulares).
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10. Posible seguimiento del proyecto El proyecto de ASE I consistió en realizar un prototipo de cargador portátil para dispositivos móviles con interfaz USB, mediante energía alternativa. Este objetivo se logró, ya que se diseñó y construyó un prototipo de cargador que permitía cargar dispositivos de bajo consumo utilizando una fuente de energía alternativa (generador por inducción electromagnética). Sin embargo después de terminar satisfactoriamente las pruebas de carga del dispositivo, se llegó a la conclusión que era necesario un seguimiento para realizar actividades que no se podría abarcar en este proyecto, como una tabla completa de los dispositivos móviles que es posible cargar con el prototipo, el tiempo de carga para algunos dispositivos, un posible seguimiento de manufactura y producción en masa y un posible estudio de mercado.
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