Gestión y control de la energía de la batería

Figura 1. El hidrófono de Ocean Networks Canada y el módulo de aterrizaje acústico profundo de la Universidad de Dalhousie se utilizan para monitorear respiraderos hidrotermales. Brendan Smith y su asesor de doctorado, el profesor David Barclay, utilizaron hidrófonos operados por Ocean Networks Canada en el océano Pacífico y el Observatorio Europeo Multidisciplinario del Fondo Marino y la Columna de Agua en el océano Atlántico para monitorear dos respiraderos en el fondo marino. Foto: Ocean Networks Canada

La gestión de la alimentación de CC es uno de los retos fundamentales en el diseño de un módulo de aterrizaje oceánico autónomo. Podemos profundizar bastante en este tema. Este artículo pretende compartir algunas ideas para la reflexión de los lectores.

Partimos de una premisa. Una palanca sin punto de apoyo es simplemente un palo. Un punto de apoyo sin palanca es simplemente un tope de puerta. Al combinar ambos, se obtiene una máquina simple. De igual manera, un sensor o microcontrolador sin amplificador es simplemente una novedad. Ambos deben trabajar en conjunto para gestionar eficazmente la energía en un módulo de aterrizaje oceánico.

Baterías

Las baterías alimentan los circuitos de los vehículos autónomos. Las diferentes composiciones químicas presentan sus propios problemas de autodescarga y pérdida de capacidad debido a las bajas temperaturas. (Véase Lander Lab n.° 10, Marine Technology Reporter, marzo/abril de 2024). Los circuitos a bordo pueden requerir diferentes voltajes. Los circuitos de funciones críticas, como el de liberación, deben alimentarse mediante un paquete de baterías "sagrado", sin compartirlo con ningún otro elemento que pueda agotarlo accidentalmente.

La carga de las baterías se puede realizar de varias maneras, entre ellas: 1) abriendo la carcasa y cargando, 2) cargando a través de la tapa del extremo o 3) baterías externas que se intercambian mediante un conector submarino o un enlace inductivo.

La carga a través de la tapa del extremo se puede hacer fácilmente con un conector de 4 enchufes. Normalmente asigno el pin 1 como GND de la batería, ya que el código de color de la industria en el cable n.º 1 es negro. Otras asignaciones de pines se derivan de eso. Pin 1: GND de la batería, Pin 2: POS de la batería, Pin 3: GND del sistema, PIN 4: POS del sistema. Usando solo el PIN 1 y el PIN 2, un conector de acoplamiento conecta un cargador de batería directamente a la batería. Durante la carga, la batería se desconecta del circuito que alimenta. Cargue de forma normal. Una vez completada la carga, la batería se conecta al sistema mediante un enchufe de cortocircuito. Un enchufe de cortocircuito parece un enchufe falso, pero tiene pines conectados dentro del sobremolde: Pin 1 a Pin 3, Pin 2 a Pin 4. Algunos cargadores tienen un sensor térmico que reduce la carga si la temperatura de la batería sube demasiado debido al aumento de la resistencia interna a medida que la batería envejece. Esto también se puede hacer a través de la tapa, pero requiere dos pines adicionales (Pin 5 y Pin 6) para conectar el termistor dentro de la batería al circuito de control del cargador. He cargado cuatro paquetes de baterías diferentes con cargadores separados a través de un conector de 8 pines. Al igual que un enchufe de pared, usé contactos de enchufe para conectar directamente a las baterías. Un cable puente devolvía la energía a la esfera a través de otro conector de 8 pines, este con pines. El cable puente era básicamente un cable alargador, con pines en un extremo y enchufes en el otro.

Si la desgasificación de la batería es una preocupación justificada, se puede instalar una PRV (válvula de alivio de presión como las fabricadas por Prevco o Deepsea), o abrir el puerto de purga durante la carga (¡asegúrese de volver a colocar la tapa a prueba de presión!), o quitar las restricciones de la tapa del extremo, como los pernos.

Si el sistema requiere una rápida recuperación en superficie, los paquetes de baterías externos son una solución práctica. Recupere el sistema, extraiga las baterías agotadas, instale un segundo juego completamente cargado y vuelva a desplegarlo. El primer juego se vuelve a conectar al cargador.

Conversión de voltaje

En el interior del módulo de aterrizaje no tripulado, se pueden utilizar diversos voltajes de CC, como 3,3 VCC, 5 VCC, 10 VCC, 12 VCC, 21 VCC o superiores. Las curvas de descarga de la batería nunca son planas, aunque algunas son mejores que otras.

Se pueden utilizar múltiples reguladores de voltaje para proporcionar diferentes voltajes y niveles de potencia constantes a circuitos separados.

Se pueden conectar varios reguladores de conmutación en paralelo a una sola batería, siempre que esta tenga la capacidad suficiente para suministrar la corriente total requerida. Se pueden usar optoacopladores para aislar cada circuito del microcontrolador.

Reguladores de voltaje (convertidores CC-CC)

Hay dos tipos de reguladores de voltaje: 1) Lineales o Analógicos, y 2) Conmutados.

Dado que la energía se limita a las baterías, la eficiencia es una prioridad. Los reguladores lineales o analógicos tienen eficiencias de conversión de alrededor del 40 %, por lo que no son una opción. Con un regulador conmutado, las eficiencias de entre el 85 % y el 95 % son comunes, a la vez que proporcionan un aumento en la corriente de salida.

Existen tres tipos de reguladores de voltaje conmutados: elevador, reductor y una combinación elevador-reductor. Un regulador elevador puede elevar el voltaje, un regulador reductor puede reducirlo, y un regulador elevador-reductor hace ambas cosas.

La simplicidad del diseño del buck lo hace más eficiente que un boost, por lo que cuando se intenta poner a trabajar a cada electrón, tiene sentido reducir un voltaje más alto a uno más bajo.

Figura 2. El convertidor reductor de CC-CC ajustable Addicore LM2596 puede alimentar una carga de 3 A con una eficiencia del 90 %, con excelente regulación de línea y carga, apagado térmico y limitación de corriente. El LN2596 tiene un modo de espera de bajo consumo mínimo direccionable de 80 μA. (Costo: $2.48) Foto: Addicore

Es importante considerar la corriente de reposo durante los modos de carga ligera o de espera cuando la eficiencia es una prioridad. La alimentación de un regulador de voltaje también puede ciclarse de forma programada mediante un MOSFET controlado por microcontrolador.

Microcontrolador

Un microcontrolador es una computadora programable en un chip que ofrece control inteligente de un sistema. Son pequeños y de bajo consumo. Algunos ejemplos son Arduino, Raspberry Pi, ESP32 y otros. La potencia de salida es limitada. Un pin de E/S de Arduino puede generar un máximo de 5 V a 20 mA. La revista Make publica anualmente una Guía de Placas que describe docenas de nuevos microcontroladores y computadoras de placa única.

MOSFET

MOSFET significa transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico. El MOSFET tiene tres terminales: puerta, drenador y fuente. Los MOSFET son valorados por su capacidad para controlar grandes corrientes con voltajes de puerta bajos, su eficiencia y su pequeño tamaño de encapsulado. Algunos MOSFET pueden activarse completamente con niveles lógicos de 5 V (Vgs), como el IRL540 (costo: $0.77). Amazon vende un kit de muestra de MOSFET de nivel lógico por $19. (Busca en Amazon "EEEEE 70 Pcs Logic Level MOSFET").

Una pequeña señal eléctrica puede encender luces LED para la toma de imágenes o el motor de una bomba. Son dispositivos muy útiles. Busca en Google "Cómo elegir un MOSFET" para encontrar muchos enlaces útiles, incluyendo videos. Puedes encontrar una útil hoja de trabajo para la selección de componentes en https://www.addohms.com/mosfet-guide/ .

Esquema de un MOSFET y componente de 3 conductores en un encapsulado TO-220. (Foto: Hong Kong Olukey Industry)

SCR

SCR significa Rectificador Controlado de Silicio. Otro componente de tres conductores (Ánodo, Cátodo, Puerta), normalmente utilizado para rectificar una señal de CA, tiene la interesante característica de comportarse como un relé de enclavamiento en un circuito de CC. Considere el SCR NTE5455 (Costo $0.80). Cuando se aplica un pulso de 1.5 V a la puerta, la corriente comienza a fluir del ánodo al cátodo y continúa fluyendo incluso al eliminarse el voltaje de la puerta. La corriente fluirá hasta que caiga por debajo de cierto nivel, llamado corriente de mantenimiento, momento en el que se desactiva. Un temporizador de laboratorio simple, pero confiable, es un pequeño temporizador de cuenta regresiva que emite una señal de 1.5 V a un zumbador piezoeléctrico. En lugar de eso, lleve la señal del zumbador a la puerta del NTE5455 para iniciar una fuente de 10 V CC que corroe un alambre de quemado.

Secuenciador

Alimentar varios circuitos en paralelo puede ser complicado debido a las corrientes de entrada iniciales. El secuenciador de fuente de alimentación simple TI LM3880 es un dispositivo que controla la secuencia de encendido y apagado de tres carriles de tensión independientes. Al escalonar la secuencia de arranque, se moderan las cargas instantáneas de la batería. Este robusto componente está apto para aplicaciones automotrices y presenta una baja corriente de reposo de 25 μA.

Figura 4. Esquema del secuenciador de fuente de alimentación simple TI LM3880 de 6 pines. (Foto: Texas Instruments). (Costo: $1.02)

Transductores y sensores

Los términos “sensores” y “transductores” a veces se utilizan indistintamente, aunque existen diferencias sutiles.

Es posible que se requieran sensores para iniciar la acción por parte del microcontrolador o del circuito dedicado.

Solo existen dos tipos de transductores. Los transductores activos producen un voltaje en respuesta a un cambio en un parámetro. Estos incluyen termopares, fotovoltaicos y piezoeléctricos. Los transductores pasivos producen un cambio en la resistencia (potenciómetro, galga extensométrica, termistores, interruptor de láminas), la capacitancia (galgas) o la inductancia (transformador diferencial) como respuesta a un cambio en un parámetro.

Un sensor detecta una magnitud física, química o biológica específica y convierte el valor que recibe en una señal eléctrica. Los sensores requieren un amplificador, ya que su potencia está limitada a la señal, a menudo inferior a 1 W. No pueden transmitir una gran cantidad de potencia por sí mismos. Para la gestión de la energía, utilice un sensor para controlar un circuito amplificador: un relé, un transistor, un optoacoplador o un MOSFET.

Interruptor de láminas

Uno de los originales: un interruptor de láminas es un interruptor activado magnéticamente. Se abre o se cierra según la presencia o ausencia de un campo magnético. Debido a su baja capacidad de soportar corriente, es importante considerarlo más como un sensor magnético que como un interruptor. Se encuentran comúnmente disponibles como SPST y SPDT. Vienen en una variedad de tamaños. Las unidades más pequeñas son más sensibles a los campos magnéticos, pero transportan la menor potencia. Los interruptores de láminas tienen pequeñas corrientes de fuga en comparación con los dispositivos de estado sólido. Tienen baja resistencia. Las láminas están selladas herméticamente dentro de una envoltura tubular de vidrio, que implosiona al exponerse directamente a una profundidad creciente. Por lo tanto, un interruptor de láminas debe colocarse dentro de una carcasa no ferrosa, como plástico, aluminio o titanio. Pueden encapsularse en una resina epóxica dura para aplicaciones de profundidad media. Un anillo circular de interruptores de láminas puede activarse simultáneamente mediante un solo imán ubicado en el centro. La conmutación en caliente, con la máxima potencia activada, puede dañar la pieza. Al abrir o cerrar el interruptor, un arco eléctrico puede quemar o soldar los contactos. A medida que se daña el revestimiento de contacto, la resistencia eventualmente aumentará hasta que el interruptor de láminas ya no funcione.

Figura 5. Los interruptores de láminas vienen en una variedad de tamaños y encapsulados, desde pequeños hasta grandes, con diferentes potencias, voltajes de conmutación y corrientes nominales. Un mejor diseño los utiliza para controlar un MOSFET y gestionar la potencia real. Foto: Littelfuse

Sensor de efecto Hall

Un sensor de efecto Hall es otro interruptor activado magnéticamente. Produce un nivel de señal bajo y requiere amplificación. Su salida se controla mediante la presencia o ausencia de un campo magnético. Al igual que un interruptor de láminas, un sensor de efecto Hall puede funcionar dentro de una carcasa no ferrosa, como plástico, aluminio o titanio.

Dado que el sensor de efecto Hall es un dispositivo de estado sólido, no es propenso a roturas ni desgaste mecánico, y es tolerante a la presión. Un sensor de efecto Hall puede encapsularse y operarse en un entorno de agua a alta presión.

Los sensores de efecto Hall son sensibles a temperaturas más altas, pero generalmente no dentro del rango que la mayoría de los módulos de aterrizaje oceánicos detectan. Existen variantes para temperaturas más altas.

Los sensores de efecto Hall se presentan en dos versiones: unipolares y bipolares. Cada uno presenta características únicas y útiles.

Los sensores de efecto Hall unipolares funcionan como un interruptor SPST. El interruptor de efecto Hall unipolar está normalmente cerrado. Se puede seleccionar la sensibilidad del componente a un campo magnético de polo norte o sur. Exponer el componente a la polaridad magnética opuesta no afecta el estado de salida. (ref: Melexis US5881, Costo: $0.60)

Los sensores bipolares de efecto Hall actúan como un relé de enclavamiento. Pueden seleccionarse para que se enclaven en estado abierto con un campo magnético de polo norte o sur. El campo magnético opuesto enclavará el interruptor bipolar de efecto Hall en estado cerrado. (Ref.: Melexis US2882, Costo: $0.63)

Figura 6. Un interruptor de efecto Hall bipolar actúa como un relé de enclavamiento. (Foto cortesía de Melexis)

Microinterruptor, encendido y apagado momentáneo

Un microinterruptor es un dispositivo mecánico miniaturizado. El pulsador momentáneo de encendido y apagado se utiliza para determinar los límites de posición de componentes, como un pistón en un orificio. Cuanto más pequeño sea el interruptor, menor será la carga que pueda soportar.

Otros sensores incluyen luz, temperatura, salinidad y vibración.

Taller de experimentadores

Si te interesa experimentar con las piezas que se mencionan aquí, considera algunos de los componentes y kits que ofrecen SparkFun.com, Adafruit.com, Makershed.com y Addicore.com, entre otros. Algunos cuestan menos de uno o dos dólares. La práctica hace al maestro, o al menos da pie a la reflexión.

Desarrollos futuros

Se están desarrollando nuevas tecnologías de baterías con tolerancia y protección contra la presión para aplicaciones marinas. Asimismo, a nivel mundial, los ingenieros de sensores investigan, caracterizan y desarrollan nuevos sensores para traducir el entorno marino a un equivalente digital para la investigación científica, el control de máquinas y la supervisión gubernamental.

Invitación a los lectores

¿Te gustaría compartir tu opinión sobre este tema? Publicaremos algunas de las mejores respuestas que recibamos a las preguntas a continuación.

• ¿Se puede usar un amplificador operacional como amplificador para un sensor? ¿Tiene ventajas? Explíquelo.
• ¿Se puede usar un optoacoplador como amplificador de un sensor? ¿Tiene ventajas? Explíquelo.
• ¿Se puede usar un acelerómetro para indicar, dentro de la esfera de mando y control, cuándo un módulo de aterrizaje ha llegado al fondo marino? Explique.

Citas

"Fundamentos de los transductores", RH Warring y Stan Gibilisco, (ISBN 0-8306-1693-4)

“Electrónica práctica para inventores”, Paul Scherz, Simon Monk, (ISBN 978-0-07-177133-7)

“El arte de la electrónica”, Horowitz y Hill, (ISBN 978-0-52-137095-0)

«Lander Lab» es una columna práctica sobre las tecnologías y estrategias de los Ocean Lander, una clase única de vehículos submarinos no tripulados, y sus creadores. Su objetivo es servir a la comunidad global de Ocean Lander, al igual que la revista Make y otras comunidades DIY.

Se agradecen los comentarios sobre este artículo o las sugerencias de historias de interés para otros landerianos. Animamos a los equipos de aterrizaje oceánico a escribir sobre su trabajo. No duden en contactar con Kevin Hardy: <[email protected]>.