Indicador audio-visual del consumo de energía eléctrica en iluminaria

Publicado: julio 28, 2010 en ENERGIA

Indicador audio-visual del consumo de energía eléctrica en iluminaria para dar conciencia del desperdicio energético en residencias

Marcelo Ramírez #1

1soymarcelo88@hotmail.com

 

Resumen—El presente artículo muestra el diseño de un indicador audio-visual del consumo de energía eléctrica en iluminaria, empleando para ello un microcontrolador, el cual indica de manera audio-visual si se está excediendo en el consumo energético, y de esta manera hacer conciencia a los residentes del desperdicio eléctrico que se ocasiona día a día.

 

Palabras claves— desperdicio energético, energía eléctrica, iluminaria, indicador audio-visual,

I.   INTRODUCCIÓN

Con este indicador audio-visual lo que se pretende conseguir es hacer conciencia de la energía eléctrica que día a día malgastamos en nuestras residencias. El objetivo principal del proyecto es de capacitar a todos los integrantes que conforman una residencia a colaborar con el ahorro energético y así suprimir el excesivo e innecesario gasto energético.

El alcance final del proyecto estará orientado a monitorear un conjunto de residencias, sean estas domiciliarias o laborales.

Analizando los datos de la tabla 1 sobre  el porcentaje de consumo de energía eléctrica en el hogar, nos damos cuenta que en iluminación se gasta una considerable parte de la energía eléctrica, debido a estos datos el indicador  audio-visual está orientado a monitorear el consumo energético sólo en el circuito eléctrico de la iluminaria residencial.

TABLA 1

Porcentaje de consumo de energía eléctrica en el hogar

Clima Templado % Clima Cálido % General %
Iluminación 35% iluminación 12% Iluminación 30%
Refrigeración 30% Refrigeración 25% Refrigeración 30%
Aparatos Eléctricos. (Entretenimiento) 25% Aparatos Eléctricos. (Entretenimiento) 8% Aparatos Eléctricos. (Entretenimiento)

40%
Otros 10% Acondicionadores de aire 55%

[Datos tomados de: La guía práctica, ahorro de energía eléctrica en el hogar, Mariano Escobedo No. 420 Col. Anzures, C.P. 11590 México, D.F.]

2.   DISEÑO GENERAL DEL PROYECTO

Por lo general una instalación eléctrica en una residencia viene dado en el siguiente orden:

-Acometida.

-Fusible.

-Contador (Medidor).

-Interruptor Limitador (ICP).

-Interruptor General Automático (IGA) e Interruptor Diferencial (ID).

-Interruptores Automáticos (PIA) con salida a cada uno de los circuitos de la instalación.

Habitualmente desde un Interruptor Automático (PIA) se conecta el circuito eléctrico de iluminaria de la residencia y es en este punto en donde se deberá instalar el indicador audio-visual para que monitoree su respectivo consumo eléctrico.

Las fases del proyecto a diseñar son las siguientes:

  • La interfaz 1: esta fase es la que se conecta con la red eléctrica y debe ser capaz de monitorear continuamente el circuito lumínico residencial, a su vez debe presentar una señal proporcional al valor monitoreado para su respectiva lectura.
  • La interfaz 2: esta fase es la encargada de acondicionar la señal entregada por la interfaz 1 para que pueda ser ingresada y cuantificada por el microcontrolador [1].
  • Microcontrolador: Esta etapa es la más importante, ya que es el cerebro del proyecto, el microcontrolador se encargará de procesar la señal de la red entregada por la interfaz 2 y decidir en activar o desactivar la alarma audio-visual.
  • La interfaz 3: Esta es la etapa final del proyecto, es la que interactúa directamente con el usuario de forma visual y/o auditiva.

En un diagrama de bloques (ver fig. No. 1) se representan las diversas fases que constituyen el proyecto a diseñar.

Fig. No. 1.  Diagrama de bloques del proyecto. Elaboración del autor

2.1.   LA INTERFAZ 1

Esta interfaz se conecta directamente con la red eléctrica de la luminaria residencial; para detectar la señal de corriente eléctrica que está circulando por la red es necesario acondicionar un sensor que además de medir esta corriente también nos proporcione valores admisibles para que puedan ser leídos por el microcontrolador.

Los sensores de efecto Hall lineales son ideales para censar corrientes que van desde mili Amperes hasta miles de Amperes. El flujo de corriente a través de un conductor generará un campo magnético en el espacio, de aproximadamente 6.9 gauss por Ampere; es por esto que el rango de medición de un sensor de efecto Hall lineal está limitado, por lo que se hace necesario configurar el circuito del sensor de tal forma que el rango de medida del campo magnético, debe estar dentro de los límites del sensor a utilizar. Puede aumentarse la densidad de flujo magnético con el uso de un núcleo en forma de “dona”, con un corte transversal para ubicar dentro de éste al sensor Hall. [2]

Para medir corrientes bajas como es el caso de este proyecto (corrientes no mayores a 25A)  el conductor debe dar varias vueltas en su recorrido a través de la “dona” para formar una bobina, como se muestra en la fig. No. 2.

Fig. No. 2.  Sensor acoplado para la medición de corrientes bajas (I<25A)

[Imagen tomada de: APPLICATIONS INFORMATION, LINEAR HALL-EFFECT SENSOR ICS, by Joe Gilbert and Ray Dewey]

Para mediciones de corriente mayores de 25 amperes, se recomienda que el conductor de corriente pase a través de la “dona” (ver fig. No. 3).

Fig. No. 3.  Sensor acoplado para la medición de corrientes altas (I>25A)

[Imagen tomada de: APPLICATIONS INFORMATION, LINEAR HALL-EFFECT SENSOR ICS, by Joe Gilbert and Ray Dewey]

El funcionamiento del sensor acoplado es simple, el campo magnético se concentrará en el núcleo para de esta manera censar a través del elemento. Los campos magnéticos por debajo de 1 gauss son difíciles de medir debido al ruido interior asociado con el sensor de estado sólido y amplificadores. El ruido de salida en el ancho de banda del sensor es típicamente 400 μV rms [2].

El sensor Hall utilizado para el diseño de este proyecto es el UGN3501 de Allegro (ver fig. No. 4) y cuyas características se resumen en la tabla 2.

Fig. No. 4.  Sensor Hall UGN3501

[Imagen tomada de: LINEAR OUTPUT HALL EFFECT SENSORS, ALLEGRO MICROSYSTEMS INC]

TABLA 2

Características principales del sensor Hall UGN3501

Características Símbolo Valor
Voltaje de operación Vcc 8.0V – 12 V
Corriente de operación Icc 10mA – 20mA
Voltaje de salida Vout 2.5V – 5.0V
Sensibilidad ∆Vout 0.35mV/G – 0.7mV/G

[Datos tomados de: La guía práctica, ahorro de energía eléctrica en el hogar, Mariano Escobedo No. 420 Col. Anzures, C.P. 11590 México, D.F.]

Como la instalación del circuito lumínico residencial se la realiza en paralelo (ver fig. No. 5), es así que el voltaje eléctrico se mantendrá constante en cada punto lumínico, y en este caso la potencia y la corriente eléctrica son las variables eléctricas que alteraran sus valores dependiendo de los puntos de iluminación que se activen.

Fig. No. 5.  Representación de una instalación eléctrica lumínica en paralelo. Elaboración del autor

Para comprobar el análisis planteado del circuito lumínico residencial se ha simulado el diseño con una fuente de voltaje a 110 V, 60 Hz y ocho puntos de iluminación (ver fig. No. 6. y No. 7.), los datos obtenidos comprueban que mientras se mantienen encendidos la mitad de la iluminaria la potencia se reduce ½ de la potencia que se gastaría si se mantienen encendidos os ocho puntos de iluminación.

Fig. No. 6.  Circuito simulado con la mitad de puntos lumínicos encendidos. Elaboración del autor

Fig. No. 7.  Circuito simulado con todos los puntos lumínicos encendidos. Elaboración del autor

Con toda esta información analizada se concluye que el sensor acoplado para la medición de corriente debe instalarse justo después del breaker de protección del circuito lumínico residencial.

2.2.   LA INTERFAZ 2

Debido a que en la interfaz 1 se va a utilizar el sensor Hall UGN3501 de Allegro, obtendremos salidas desde 2.5V hasta 5V dependiendo de la corriente que circula por el circuito lumínico, es decir que a corrientes bajas la salida será de 2.5V y a máximas corrientes la salida será de 5V. Estos valores analógicos de voltaje deben ser ingresados a un ADC para que el microcontrolador pueda procesarlos.

Una de las ventajas de trabajar con microcontroladores es que brindan varios servicios prácticos, como es el caso del microcontrolador que se va a utilizar para este proyecto  el Atmega32 que ofrece el servicio de programar un ADC interno (ver fig. No. 8). [3]

Fig. No. 8.  Pines del ADC del microcontrolador Atmega32

El microcontrolador se programó en CodeVisionAVR en lenguaje C, Para configurar el ADC se  utiliza la siguiente fórmula:

(Vin/Vfullscale)=(x/2^n -1)

Donde:

Vin=Voltaje de entrada

Vfullscale=Voltaje máximo de la escala

x=Salida digital

n=número de bits en la salida digital

De la ecuación anterior se despeja el valor de x, ya que es una salida digital y depende directamente del voltaje analógico de entrada, como el voltaje de salida del sensor acoplado es de 2.5V a 5V el Vfullscale será igual a 5V, además se utilizará n=10, dando como resultado:

x=Vin*1023/5

Los valores de Vin se los preestablecen manualmente para que mediante una rutina de condiciones (IF…ELSE) el microcontrolador active o desactive el indicador audio-visual. Para este proyecto se ha tomado los siguientes valores de Vin:

4V <= Vin Nivel alto
3V <=Vin< 4V Nivel medio
Vin<3V Nivel bajo

Además de especificar los valores de lectura para x se debe configurar los registros ADMUX y ADCSRA que para este proyecto quedan de la siguiente manera:

ADMUX = 0x3;

ADCSRA=0xCE;

#asm(“sei”)     Habilita las interrupciones (ADC)

2.3.   MICROCONTROLADOR

Como se expuso anteriormente, el microcontrolador con el cual se va a diseñar el proyecto es el Atmega32 de ATMEL (ver fig. No. 9) y el software en donde se va a diseñar el programa interno del micro es el CodeVisionAVR,

Fig. No. 9. Microcontrolador Atmega 32

[Imagen tomada de: ATMEGA32, DATASHEET de ATMEL]

El funcionamiento del microcontrolador es la de procesar los datos digitales de la interfaz 2 cuyos valores son los monitoreados por la interfaz 1, es decir que el microcontrolador aunque no realice una lectura directa de la corriente eléctrica lumínica, constantemente la esta monitoreando gracias a las interfaces diseñadas previamente.

Dependiendo del valor del ADC, el microcontrolador se encarga de activar varios led’s de alta luminosidad, un display LCD 16×2 y un parlante, es decir: Si el Voltaje que ingresa al ADC es menor a 3V, se encenderán los dos primeros led´s y por el display se visualizará un mensaje de “NIVEL BAJO” haciendo la apreciación que el consumo eléctrico está por  niveles bajos; Si el voltaje sube a niveles de entre 3V y 4V se encenderán los 4 led’s siguientes y un mensaje de “NIVEL MEDIO” aparecerá en el display; y, si el voltaje sobrepasa los 4V se encenderán todos los leds y el mensaje visualizado por el display será de “NIVEL ALTO” y a su vez se activará el parlante con un sonido igual al de la sirena de la policía. Además se programó un reloj digital en el micro para comparar las horas en la cuales se activa la alarma (mayor consumo de energía eléctrica) y tener más cuidado en días futuros.

Programación del parlante: Debido a que en el software CodeVision no es posible programar frecuencias de salida específicas se utilizó un Pic16f628A para realizar esta tarea. Las frecuencias a generar son de 7874Hz y 3937Hz con una duración de 10milisegundos cada una, el programa para el pic se lo realizó en MicroCode Studio.

2.4.   LA INTERFAZ 3

La interfaz 3 es la que interactúa directamente con el usuario, esta interfaz cuenta con 8 led’s de alta luminosidad (ver fig. No. 10), un display LCD 16×2 (ver fig. No. 11) y un parlante (ver fig. No. 12)

Fig. No. 10.  Configuración de led’s para el proyecto. Elaboración del autor

Fig. No. 11.  Display LCD 16×2. Elaboración del autor

Fig. No. 12.  Parlante. Elaboración del autor

Todos estos elementos son activados por el microcontrolador dependiendo de los niveles de voltaje preestablecidos en el programa del micro.

El diseño final del proyecto se muestra en la fig. No. 13.

Fig. No. 13.  Diseño final del proyecto. Elaboración del autor

3. CONCLUSIONES

Con el indicador audio-visual de consumo de energía eléctrica se espera hacer conciencia del desperdicio energético eléctrico que estamos ocasionando día tras día en nuestras residencias.

Con esta iniciativa se pretende implementar un sistema híbrido que implemente electrónica de microprocesadores, sistemas digitales y analógicos para el servicio y bienestar del ahorro energético.

El alcance del proyecto se lo puede dimensionar desde el monitoreo eléctrico en una sola residencia hasta en un grupo de residencias, y así involucrar a más personas al consentimiento energético.

Debido al ahorro energético que producirá el indicador audio-visual, se conseguirá un ahorro económico en el consumo de energía eléctrica y a su vez reducir las emisiones de CO2 que generamos en nuestras residencias.

4.  REFERENCIAS

[1]       SISTEMAS DIGITALES, Principios y aplicaciones, Ronald J Tocci, Edit. Prentice Hall, Octava edición, 2003.

[2]       DISEÑO DE UN INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE ENERGÍA USANDO LABVIEW, Anzurez Marin Juan, González Ruiz Victor, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

[3]       Embedded C Programming and Atmel AVR, Richard Barnett, Editorial Thomson, 2nd Edition.

comentarios
  1. Franklin dice:

    Muy interesante…

  2. rolando morales dice:

    Me gusto el proyecto .. tienes + Info para mi?
    Saludos. Y gracias

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