UPS-CT006811

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA
“DESARROLLO DE PROTOTIPO DE SEMÁFORO CON LUZ LED DE ALTA
EFICIENCIA Y PROTOCOLO INDUSTRIAL DE COMUNICACIÓN”
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE:
INGENIERO ELECTRÓNICO
Autor:
Campoverde Reyes Bolívar Sebastián
Tutor:
Prof. Julio César Viola (Ph.D.)
Cuenca, Octubre de 2016
Cesión de derechos del autor
Yo Bolívar Sebastián Campoverde Reyes, con documento de identificación N° 0104846381, ma-
nifiesto mi voluntad y cedo a la Universidad Politécnica Salesiana la titularidad sobre los derechos
patrimoniales en virtud de que soy autor del trabajo de titulación: "Desarrollo de prototipo de
semáforo con luz led de alta eficiencia y protocolo industrial de comunicación", mismo que
ha sido desarrollado para optar por el título de: Ingeniero Electrónico, en la Universidad Politéc-
nica Salesiana, quedando la Universidad facultada para ejercer plenamente los derechos cedidos
anteriormente.
En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en mi condición de autor me
reservo los derechos morales de la obra antes citada. En concordancia, suscribo este documento en
el momento que hago entrega del trabajo final en formato impreso y digital a la Biblioteca de la
Universidad Politécnica Salesiana.
Cuenca, Octubre de 2016
Bolívar Sebastián Campoverde Reyes
CI: 0104846381
I
Declaratoria de responsabilidad
Yo Bolívar Sebastián Campoverde Reyes, con CI: 0104846381 autor de: "Desarrollo de prototipo
de semáforo con luz led de alta eficiencia y protocolo industrial de comunicación" certifico que
el total contenido del proyecto técnico, es de mi exclusiva responsabilidad y autoría.
Cuenca, Octubre de 2016
Bolívar Sebastián Campoverde Reyes
CI: 0104846381
II
Certificación
En calidad de TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN: "Desarrollo de prototipo de semáforo
con luz led de alta eficiencia y protocolo industrial de comunicación", elaborado por Bolívar
Sebastián Campoverde Reyes, declaro y certifico la aprobación del presente trabajo de titulación
basándose en la supervisión y revisión de su contenido.
Cuenca, Octubre de 2016
Prof. Julio César Viola (Ph.D.)
TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
III
Agradecimientos
Quiero expresar mi más sincero agradecimiento a mi tutor del proyecto técnico Prof. Julio César
Viola (Ph.D.) miembro del Grupo de Investigación en Energías (GIE) de la Universidad Politéc-
nica Salesiana, por brindar todo su conocimiento, experiencia, apoyo y tiempo de una manera
desinteresada, para culminar con éxito este proyecto.
Bolívar Sebastián
IV
Dedicatoria
Primeramente a Dios, a mis padres Patricio y Ana y mi tío Pablo, por todo su esfuerzo en mi
formación académica y espiritual . A mi amada hija y esposa por ser mi motivación y razón para
sonreír cada día. A mis hermanos, amigos y demás familiares que han estado siempre presentes
con su apoyo incondicional. A mi prima Daniela y abuelito Bolívar, siempre presentes en mis
pensamientos.
Bolívar Sebastián
V
Resumen
El diseño de luces de señalización vial está hoy en día enmarcado en el área de la eficiencia ener-
gética dado que se requiere obtener una operación con el mínimo consumo eléctrico posible. Esto
abre camino a formas alternativas de alimentación de las luces tales como los paneles fotovoltai-
cos, lo cual simplifica en gran medida el proceso de instalación de las luces en las intersecciones
viales requeridas. Para poder lograr esta simplificación y el correspondiente abaratamiento de cos-
tos de mantenimiento e instalación, se requiere utilizar circuitos altamente eficientes tanto en la
etapa de generación de luz como en las etapas de conversión de energía para la alimentación de la
circuitería.
De igual forma para el estado ecuatoriano la adquisición de semáforos viales y sus equipos afines
representa un importante índice dentro de las importaciones anuales, lo que ha contribuido a im-
pulsar programas gubernamentales y políticas económicas con la finalidad de reemplazar bienes y
servicios importados. Adicional al beneficio económico que se busca con el desarrollo de tecnolo-
gía local, el sistema de semáforos con tecnología LED contribuye de gran manera a la optimización
de recursos y ahorro energético impulsado por el cambio de la matriz energética.
En el presente proyecto se realizó el estudio, diseño y construcción de los componentes electróni-
cos de un sistema de señalización vial. Siendo estos componentes el controlador y el módulo LED
para los colores rojo, amarillo y verde, este último concebido para ser utilizado sobre una estruc-
tura semafórica estándar con grado de protección IP65, con cabezal, compuertas, viseras, lunas y
soportes mecánicos en policarbonato. El controlador está basado en un microprocesador de Texas
Instruments con accionamiento mediante relés con indicador LED, protocolos de comunicación
serial RS-232/RS-485/USB, pulsantes de prueba, capacidad de expansión para el manejo de inter-
secciones con múltiples cabezales y una tensión nominal de alimentación de 17Vdc, admitiendo
una variación de ±10%.
Las intensidades lumínicas del sistema son 970cd para el color rojo, 600cd para el amarillo y
755cd para el verde. Cada módulo o spot lumínico está compuesto por un arreglo matricial de
LEDs de alta luminiscencia con una dimensión individual de 5mm y con un ángulo de irradiación
de 30° respecto al eje de simetría vertical. Estos módulos a su vez son alimentados por medio de
un convertidor CC/CC acoplado al mismo, que realiza la regulación de corriente.
Para facilitar la programación del controlador se desarrolló una aplicación en PC para configurar
los tiempos y condiciones de funcionamiento de cada módulo, dando como resultado un consumo
promedio del sistema de 30W.
VI
Índice general
1 Introducción 4
2 Objetivos 6
2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Estado del arte 7
3.1 Tecnología LED de alta luminiscencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2 Sistema de Semaforización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.3 Convertidores CC/CC para módulos LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.4 Protocolo industrial de comunicación RS232/RS485 . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.5 Tecnologías existentes de baterías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4 Marco metodológico 12
4.1 Diseño y construcción del Spot de LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.1 Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.2 Cantidad de LEDs y distribución geométrica . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.3 Esquema de diseño y cálculo eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1.4 Diseño del PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2 Diseño y construcción del convertidor CC/CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1 Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.2 Diseño del convertidor en WEBENCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.3 Diseño del PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 Diseño y construcción del Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3.1 Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3.2 Esquema de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.3 Diseño del PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 Programación del Sistema de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1 Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.2 Algoritmo de controlador y Software del PC . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5 Ensamblaje final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 42
4.6 Dimensionamiento de la batería de respaldo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Experimentación y resultados 45
5.1 Análisis del Spot de LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
VII
Índice general
5.2 Análisis del Convertidor CC/CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3 Análisis del controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4 Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6 Conclusiones 50
7 Recomendaciones 51
8 Trabajo futuro 52
Bibliografía 53
VIII
Índice de figuras
1. Unidad de semáforo LED [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Fases de una secuencia [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Esquema básico del convertidor buck [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4. Corriente ideal del inductorL1 [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5. Esquema general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6. Intensidad luminosa relativa del LED C503B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
7. Distribución triangular diseñada en CAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
8. a) Distribución en cuadrícula y b) distribución Angular diseñada en CAD. . . . . . 16
9. Distribución final diseñada en CAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
10. Gráficas de corriente y voltaje directos del LED C503B. . . . . . . . . . . . . . . . 18
11. Matriz de LEDs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
12. Esquemático del Spot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
13. Diseño PCB del spot de LEDs en Altium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
14. PCB final del spot de LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
15. Software de diseño WEBENCH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
16. Esquemático del convertidor CC/CC [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
17. Circuito de control de corriente pico [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
18. Simulación del convertidor en WEBENCH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
19. Simulación termográfica del convertidor en WEBENCH. . . . . . . . . . . . . . . 27
20. Esquemático del convertidor CC/CC en Altium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
21. Diseño PCB del convertidor CC/CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
22. PCB final del convertidor CC/CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
23. Esquema del módulo de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
24. Concepto de booster pack de Texas Instruments [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . 32
25. Principio de activación de salidas del módulo # 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
26. Principio de activación de salidas del módulo # 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
27. Tarjeta de desarrollo MSP432 de Texas Instruments [16]. . . . . . . . . . . . . . . 35
28. Esquemático del bloque de regulación en Altium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
29. Esquemático del bloque de salidas en Altium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
30. Esquemático del bloque de mapeo en Altium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
31. Diseño PCB del módulo de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
32. PCB final del módulo de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
33. Entorno de desarrollo Energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1
Índice de figuras
34. Interfaz gráfica del software del PC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
35. Pruebas del sistema semafórico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
36. Curva de capacidad para selección de baterías marca Power Sonic [15]. . . . . . . 44
37. Señales VOUT y VSW del convertidor del Spot Rojo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
38. Señales VOUT y VSW del convertidor del Spot Amarillo. . . . . . . . . . . . . . . . 46
39. Señales VOUT y VSW del convertidor del Spot Verde. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
40. Imagen termográfica del Spot Rojo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2
Índice de tablas
1. Características del LED C503B marca CREE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2. Cálculos del Spot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3. Componentes y valores de operación obtenidos en WEBENCH. . . . . . . . . . . 24
4. Cálculos de la resistencia de ajuste RP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5. Mapeo de pines del MSP432. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6. Matriz secuencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7. Mediciones del Spot de LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8. Mediciones del convertidor del módulo LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
9. Regulación de corriente del Spot rojo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
10. Costo de elaboración de los PCBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3
1 Introducción
De acuerdo a los requerimientos actuales en semaforización vial y basándose en las normativas
vigentes del Reglamento Técnico Ecuatoriano en Señalización Vial [10], este proyecto se centró en
el estudio, diseño y construcción de los componentes electrónicos dentro de la unidad de semáforo,
y el controlador. Esta unidad esta compuesta por tres módulos LED correspondientes a los tres
colores, que en su interior tiene una tarjeta electrónica de forma circular llamado Spot con un
arreglo matricial de LEDs, y una tarjeta electrónica o convertidor CC/CC que recibe el voltaje
desde el controlador y alimenta en su salida al Spot.
En la primera etapa del proyecto se diseñó el Spot circular de manera genérica para los tres colores
con un diámetro de 190mm, siendo la única diferencia entre ellos el color del LED de 5mm soldado
en la tarjeta. Para la cantidad de LEDs en el Spot se buscó un número que multiplicado por el valor
de intensidad luminosa (candelas cd) individual del LED, se llegue a un total de candelas que
cumplan con las especificaciones técnicas estándar del mercado como lo es 970cd para el módulo
rojo, 600cd el amarillo y 755 cd para el verde [6, 10].
Dentro de cada módulo LED el convertidor se acopla en la parte posterior del Spot mediante
conectores tipo peineta, que dan soporte mecánico y alimentación de voltaje a la matriz de LEDs,
a mas de contar con terminales para alimentación del convertidor. Ya que la corriente que circula
por el LED se relaciona de manera casi lineal con su intensidad luminosa, el convertidor garantiza
que para un voltaje de alimentación del módulo de 12 a 17Vdc la corriente y la intensidad luminosa
total del Spot permanezca constante.
En la siguiente etapa del diseño del controlador se basó en la tarjeta de desarrollo de Texas Instru-
ments de la serie MSP432, a la cual se le acopla una tarjeta electrónica diseñada como parte del
proyecto llamada módulo de control. El controlador cuenta con seis salidas tipo relés con termina-
les atornillables para alimentar 6 módulos LED, es decir dos unidades de semáforo, permitiendo
el apilamiento de hasta 3 módulos de control con un total de 18 salidas como máximo. Así tam-
bién cuenta con pulsantes para realizar secuencias de prueba e inicio de ciclo, puertos seriales
USB/RS-232 para su programación y LEDs indicadores de estado para cada salida.
En cuanto a la alimentación del controlador está diseñado para un rango de 10 a 17Vdc, esto con
la finalidad de que el sistema ocasionalmente funcione con un banco de baterías de respaldo en
caso de perdida de energía de red. Otro punto importante en el controlador es la programación del
microprocesador del MSP432, que mediante una aplicación de PC se puede simular, configurar los
tiempos secuencialesde cada salida, y cargar los datos en el controlador utilizando un protocolo
de comunicación industrial.
4
1 Introducción
Para el voltaje de alimentación del sistema está contemplado usar una fuente o convertidor AC/DC
conectada a la red, desarrollada por el Grupo de Investigación en Energías (GIE) de la Universidad
Politécnica Salesiana el cual no forma parte del presente informe. Por lo tanto para las pruebas del
sistema controlador y unidad de semáforo se utilizó un fuente de laboratorio. Se calcula también
la capacidad necesaria del banco de baterías para abastecer al sistema por al menos 4 horas ante
perdida de la energía de red.
Por último se realizaron las mediciones de voltaje y corriente individualmente para cada módulo
LED, el consumo eléctrico del sistema en una secuencia normal de funcionamiento, sometiendo a
cambios de voltaje para comprobar el control de corriente del convertidor. Dentro de este punto no
fue posible utilizar el equipo de medición de intensidad lumínica (luxómetro) de la Universidad ya
que no está diseñado para el espectro lumínico de los módulos LED. Adicionalmente se tomaron
imágenes termográficas para comprobar la disipación de calor en los módulos LED y se determinó
un costo aproximado de la manufactura de cada tarjeta electrónica.
5
2 Objetivos
2.1. General
Diseño y montaje de un módulo de semáforo vial de alta eficiencia basado en luz LED y converti-
dores CC/CC de alta eficiencia.
2.2. Específicos
Investigar y diseñar los módulos LED requeridos para cumplir con las intensidades lumínicas
requeridas.
Investigar y desarrollar los convertidores CC/CC requeridos según la potencia de consumo
de los módulos LED.
Implementar el protocolo industrial de comunicación mediante un microprocesador.
Investigar el comportamiento de distintas tecnologías de baterías.
Ensamblaje y pruebas de laboratorio del prototipo
6
3 Estado del arte
La operación actual de las luces dedicadas a la señalización de tránsito ha pasado a ser un área
de profundo estudio por parte de investigadores de distintas especialidades. Los requerimientos
cada vez más complejos que impone el hecho de un tránsito más intenso en las ciudades hacen
necesaria la intervención de áreas tan diversas del conocimiento como la electrónica, la estadística,
la inteligencia artificial, entre otras [1].
Algunas características típicas que se incorporan hoy en día en los semáforos son: la conectivi-
dad alámbrica o inalámbrica con capacidad de transmitir distintos tipos de información, la alta
eficiencia energética que permita operarlos con un panel fotovoltaico relativamente pequeño, la
incorporación de inteligencia artificial que le permita tomar decisiones adaptándose a distintas
condiciones que pueda presentar el tránsito [2, 3].
3.1. Tecnología LED de alta luminiscencia
El diodo LED es un elemento semiconductor que emite luz en el espectro visible al atravesar una
corriente por el mismo. Un LED de alta luminosidad se forma mediante la adición de gases en un
sustrato semiconductor que mediante reacciones físico-químicas que ocurren dentro de una cámara
de vacío a 900°C permite que se formen las capas ópticas. Existen distintos parámetros físicos a la
hora de escoger un LED, los cuales se detallan en las hojas de datos provistas por el fabricante [5].
Entre los principales parámetros a considerar para el diseño de iluminación LED se tiene:
Tensión directa (VF).
Corriente directa (IF).
Intensidad luminosa(IV).
Disipación de potencia (PD).
Temperatura de operación (TOPR).
Ángulo de visión.
3.2. Sistema de Semaforización
Un sistema de semaforización está compuesto por varios elementos como la unidad de semáforo,
controlador, soportes mecánicos, armario eléctrico, programador, etc. La unidad de semáforo está
7
3 Estado del arte
compuesta por tres módulos o secciones que corresponden a cada color, ordenados desde arriba
hacia abajo con los colores rojo, amarillo y verde. Por otro lado el controlador es el encargado de
activar cada módulo de la unidad de semáforo de acuerdo a la secuencia de programación calibrada.
Figura 1: Unidad de semáforo LED [10].
Entre los principales términos que intervienen en el proceso de semaforización están los movi-
mientos, fases, secuencia de operación, secuencia de encendido, ciclo total e intervalos. Los mo-
vimientos son todas las posibles trayectorias en el flujo vehicular mientras que una fase es un
conjunto de movimientos compatibles [10].
Una fase se considera también como la secuencia que realiza una unidad de semáforo. En la figura
2 se observan tres fases que físicamente representan tres semáforos, cada fase realiza una deter-
minada secuencia por ejemplo la fase 3 enciende 50 segundos el color rojo, luego 33 segundos
el verde, 3 segundos el amarillo y nuevamente 4 segundos el rojo. Este tiempo de activación de
cada color se le conoce como intervalo y el tiempo que dura toda la secuencia se llama ciclo total.
Siguiendo con el ejemplo el controlador del sistema ejecuta las tres fases al mismo tiempo desde
el segundo 0 hasta el 90 y repite nuevamente [10, 11].
Figura 2: Fases de una secuencia [11].
8
3 Estado del arte
3.3. Convertidores CC/CC para módulos LED
Una de la configuraciones más usadas de convertidores CC/CC para control de iluminación LED
es el tipo buck o reductor, que básicamente está compuesto por elementos semiconductores como
tiristores, transistores bipolares, MOSFET o IGBTs, que realizan la conmutación o interrupción de
potencia (ver figura 3). Su funcionamiento depende de los dos elementos semiconductores S y D
que alternan la conexión del inductor L entre la fuente de alimentación y tierra [12].
Figura 3: Esquema básico del convertidor buck [12].
En la figura 4 se observa la corriente del inductor, en el que puede identificarse el tiempo de
encendido tON y apagado tOFF , el ciclo de trabajo D y el periodo TS del elemento de conmutación
que realiza la regulación de corriente. La corriente de salida del convertidor es el valor medio de
la corriente en la inductancia ya que la componente alterna de iL circula por el condensador.
Figura 4: Corriente ideal del inductorL1 [14].
3.4. Protocolo industrial de comunicación RS232/RS485
Entre los protocolos utilizados para la configuración y programación de dispositivos de control de
semaforización, están los protocolos de comunicación serial RS232/RS485 orientado a conexiones
9
3 Estado del arte
punto a punto. Estos estándares determinan las características de la comunicación y cómo se debe
transmitir la señal eléctrica en el medio físico [13].
Entre las especificaciones básicas para RS232 están:
• Velocidad de transmisión de 300 a 38400 bps.
• Longitud máxima de 15 metros.
• Interfaz para soportar cortocircuito de duración indefinida.
• Niveles binarios de la señal entre +10V y -10V.
Por otra parte este protocolo presenta ciertas desventajas que limitan su velocidad y distancia de
transmisión, debido a la longitud del cable (aumenta capacitancia), las perturbaciones eléctricas,
pérdida de sincronismo, etc. Como solución a estas limitaciones surgen protocolos más estables
y escalables como RS485, el cual tiene una configuración tipo bus que permite conectar hasta 32
dispositivos y distancias superiores a los 20 metros. Entre las especificaciones para RS485 están:
• Velocidad de transmisión de 9.6kBit/s a 12Mbit/s.
• Comunicación multipunto.
• Longitud máxima de 1200 metros.
• Necesita resistencias terminadoras en los extremos del bus.
• Interfaz para soportar cortocircuito de duración indefinida.
• Inmunidad a las interferencias debido a la transmisión diferencial de las señales.
3.5. Tecnologías existentes de baterías
Entre las principales tecnologías de batería con las que se cuentan en el mercado están:
Plomo-ácido (PbA)
Niquel-Cadmio (NiCd)
Litio-Ión (Li-ion)
Litio-Polímero (LiPo)
Las de Plomo-ácido son las baterías más comunes y de mayor aplicación por su bajo costo, las
cuales se presentan en distintas versiones que se clasifican en dos gruposprincipales, las selladas
y las de electrolito líquido. Se componen de varios pares de electrodos conectados entre si dentro
de una disolución de ácido sulfúrico, cuyo funcionamiento se basa el de la pila electróquimica.
Entre las de electrolito líquido destacan las de ciclo corto utilizadas en automóviles donde se ne-
cesita una entrega súbita de energía en el encendido. También se encuentran las de ciclo profundo
ideal para aplicaciones de ciclos repetidos de carga y descarga, que forman parte de la mayoría de
aplicaciones como paneles fotovoltaicos, fuentes de alimentación ininterrumpidas, equipos de se-
guridad, etc. Sus principales ventajas son el bajo costo, fácil fabricación y amplia gama de modelos
[7].
10
3 Estado del arte
Por otra parte las baterías de Niquel-Cadmio se componen de un cátodo de hidróxido de níquel, un
ánodo de cadmio y un electrolito de hidróxido de potasio encapsulados dentro de celdas selladas.
Entre las principales ventajas están su baja impedancia y resistencia interna, el ser menos propensas
a pérdidas de electrolito teniendo una baja tasa de auto descarga [9].
Las de Litio-Ión se componen de un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto dentro de
un electrolito líquido con iones de litio. Entre las principales ventajas está el tener una elevada
densidad de energía, ser livianas, tener un alto voltaje por celda (3.7V), no tener efecto memoria,
poseer descarga lineal, baja tasa de autodescarga; y entre sus principales desventajas están que
tienen baja vida útil, son costosas, número limitado de cargas, deficientes para trabajo en frío.
Las principales aplicaciones de estas baterías están en celulares, ordenadores, autos eléctricos,
drones,etc. Una variante de estas baterías son las de polímero de litio (LiPo) que admite una mayor
densidad de energía y tasa de descarga superior [7, 8].
11
4 Marco metodológico
Para las tres tarjetas PCB1 del spot de LED, convertidor CC/CC y el módulo de control se siguió
el mismo proceso en su elaboración, que comprende, en primer lugar, la generación del esquema
circuital y el trazado de pistas para todos los elementos involucrados en cada placa, desarrollados
en el software de diseño «Altium Designer». En las placas PCB se buscó utilizar en su mayoría
componentes de montaje superficial SMD2, esto con la finalidad de obtener una tarjeta con una
distribución holgada de componentes y tamaño reducido. En cuanto a la manufactura de las tar-
jetas PCB se utilizaron los servicios de la empresa PCB WAY, mientras que para la soldadura de
componentes SMD se utilizaron los equipos del laboratorio de la Universidad Politécnica Salesia-
na. En la figura 5 se detalla el esquema general del prototipo de semáforo mostrando a la derecha la
unidad de semáforo, en donde a cada módulo LED le llega un voltaje VIN del módulo de control. A
la izquierda se encuentra el controlador que está compuesto por la la tarjeta de desarrollo MSP432
de Texas Instruments y el módulo de control. La programación del controlador se realiza mediante
un software desde el PC por medio de sus interfaces seriales. La alimentación del controlador es
el mismo voltaje VIN que a través de los relés de salida energiza los módulos LED.
Figura 5: Esquema general.
1(Printed Circuit Board): Tarjeta de circuito impreso
2(Surface Mount Device): Componentes de montaje superficial
12
4 Marco metodológico
4.1. Diseño y construcción del Spot de LED
4.1.1. Especificaciones
El spot de LED consiste en un PCB circular de 190 mm de diámetro donde se distribuye estra-
tégicamente un arreglo matricial de LEDs de alta luminosidad. Los requerimientos de intensidad
luminosa que se tomaron en cuenta de acuerdo a estándares del mercado son:
Spot Rojo, SPro jo = 945cd a 1000cd
Spot Amarillo, SPamarillo = 550cd a 650cd
Spot Verde, SPverde = 710cd a 800cd
El LED a utilizar para el spot es el modelo C503B de alta luminosidad. En la tabla 1, se encuentran
las principales características para los colores rojo, amarillo y verde. En donde el principal paráme-
tro que permite calcular la cantidad de LEDs necesarios para cada spot es la intensidad luminosa
IVro jo = 5,1cd , IVamarillo = 6cd , IVverde = 12cd ; estos valores para una corriente IF = 20mA.
Símbolo Condición Rojo Amarillo Verde Unidad
Corriente Directa IF
20 (típico) 20 (típico) 20 (típico)
mA
50 (max) 50 (max) 30 (max)
Corriente Directa Pico IFP 200 200 100 mA
Voltaje Inverso VR 5 5 5 V
Potencia de Disipación PD 130 130 120 mW
Temperatura de Operación Topr -40 ~ 100 -40 ~ 100 -40 ~ 100 °C
Voltaje Directo VF IF = 20mA 2.1 2.1 3.2 V
Longitud de Onda λ D IF = 20mA 624 591 527 nm
Intensidad Luminosa IV IF = 20mA 5100 6000 12000 mcd
Ángulo de Energía 50% 2θ1/2 IF = 20mA 30 30 30 deg
Tabla 1: Características del LED C503B marca CREE.
4.1.2. Cantidad de LEDs y distribución geométrica
Para determinar la cantidad de LEDs se realizan dos pasos, el primero es calcular dividiendo los
requerimientos totales del Spot (SP) para el valor de intensidad luminosa individual de cada LED
IVro jo,amarillo,verde ; y en segundo lugar a partir de las cantidades de LEDs calculadas para cada color
buscar una cantidad similar entre estos, con el fin de diseñar un PCB genérico para los tres colores.
13
4 Marco metodológico
Por lo tanto para lograr este valor es necesario ajustar la corriente IF que atraviesa cada LED
según el comportamiento lineal observado en las curvas provistas por el fabricante (ver figura 6).
De acuerdo a estas curvas se introduce el valor de intensidad luminosa relativa IV R a la fórmula
propuesta para el cálculo de LEDs quedando de la forma:
N =
SP
IV · IV R
(1)
Donde:
N =Cantidad de LEDs
SP = Intensidad luminosa total
IV = Intensidad luminosa del LED
IV R = Intensidad luminosa relativa del LED
Figura 6: Intensidad luminosa relativa del LED C503B.
Previo a calcular la cantidad de LEDs, se determina el valor promedio SP del rango planteado en
las especificaciones de cada Spot:
Spot Rojo, SPro jo = 970cd
Spot Amarillo, SPamarillo = 600cd
Spot Verde, SPverde = 755cd
De acuerdo a (1), para valores normales de funcionamiento IF = 20mA e IV R = 1 el cálculo de la
cantidad de LEDs es igual a:
Nro jo =
SPro jo
IVro jo · IV Rro jo
=
970cd
(5100x10−3)cd · (1)
= 190,2≈ 190
14
4 Marco metodológico
Namarillo =
SPamarillo
IVamarillo · IV Ramarillo
=
600cd
(6000x10−3)cd · (1)
= 100
Nverde =
SPverde
IVverde · IV Rverde
=
755cd
(12000x10−3)cd · (1)
= 62,9≈ 63
Como resultado se obtiene un número diferente para cada spot, donde su promedio es de 118
LEDs. Si se toma este valor para el caso del spot amarillo y verde no habría problema ya que si
aumenta N se incrementa la intensidad luminosa total del spot SP; esto es una ventaja si se quiere
ajustar IF para trabajar con una corriente menor a 20mA y con ello alargar la vida útil del LED.
Sin embargo para el spot rojo podría resultar una cantidad limitada, ya que aplicando el principio
anterior abría que incrementar la corriente IF de cada LED para alcanzar los requerimientos de
intensidad luminosa del spot.
De acuerdo a la hoja de datos del modelo C503B, para el color rojo se recomienda trabajar con
una corriente IF entre 10 a 30 mA. Tomando el valor de 30mA según la figura 6, le corresponde un
valor aproximando de IV Rro jo = 1 �5 que calculando nuevamente N quedaría igual a:
Nro jo =
SPro jo
IVro jo · IV Rro jo
=
970[cd]
(5100x10−3)[cd] · (1,5)
= 126,8≈ 127
Este número de 127 se toma como base para la siguiente etapa, que es buscar una distribución
equitativa del LED en el área del PCB de 190mm de diámetro. Otro punto a considerar en la
cantidad de LEDs es que debe ser múltiplo de 3, esto con la finalidad de formar un arreglo matricial
uniforme de 3 LEDs en serie por ramal. Este valor de 127 LEDs será tomado como referencia, para
buscar la mejor distribución que sea múltiplo de 3 y cercano al valor de 127.
Para la distribución geométrica se consideran varios aspectos como, el diámetro del LED de 5mm,
el perímetro circular límite de 190mmde diámetro y el total de LEDs múltiplo de 3. Se diseñó
cada distribución en «AutoCAD», para que una vez encontrada la mejor ubicación de cada LED,
se exporte al software «Altium» de diseño electrónico. La primera distribución que se propuso fue
una triangular (ver figura 7) en donde el centro del LED se ubica en cada vértice del triangulo. La
ventaja de esta distribución es que la distancia entre el centro de un LED a otro es la misma en
cualquier dirección. Sin embargo presenta muchas desventajas entre ellas:
Bordes rectos.
Una mínima variación en la distancia entre centros, implica una variación considerable de la
forma y del total de LEDs.
Cantidad de LEDs no múltiplos de 3.
15
4 Marco metodológico
Figura 7: Distribución triangular diseñada en CAD.
Otro tipo de distribución que se probó es con los centros del LED dentro de una cuadrícula, sin em-
bargo se presentaron las mismas desventajas que la distribución triangular (figura 8, a). Buscando
solucionar la desventaja de los bordes rectos se propuso una distribución angular, donde se lanzan
ejes a 11.25° desde el centro que cortan con circunferencias de radio equidistante, ubicando en los
cortes los centros de cada LED (figura 8, b); siendo la principal desventaja que el área entre cada
LED no es la misma, a pesar de lograr un total múltiplo de 3.
Figura 8: a) Distribución en cuadrícula y b) distribución Angular diseñada en CAD.
Por último para solucionar todas estas desventajas se realiza un tipo de distribución angular, que
consiste en lanzar dos ejes desde el centro a 60° el uno respecto al otro. A partir de estos ejes se
trazan lineas paralelas que se cortan con las circunferencias de radios equidistantes y se ubican los
16
4 Marco metodológico
centros de cada LED en los cortes como se observa en la figura 9. Con esta distribución se logra
un total de 126 LEDs el cual es múltiplo de 3.
Figura 9: Distribución final diseñada en CAD.
En resumen la cantidad de LEDs para el spot rojo, amarillo y verde es N = 126, que se ubican en
el PCB según la figura 9.
Para comprobar que este valor N cumple con las especificaciones para cada spot, se calcula nue-
vamente SP con (1) y se ajusta IV R según las curvas de la figura 6, con la finalidad de determinar
el valor más bajo de corriente IF que cumple con las especificaciones de intensidad luminosa,
quedando de la siguiente manera:
IFro jo = 30mA
SPro jo = IVro jo · IV Rro jo ·Nro jo = (5100x10
−3)cd · (1,5) ·126 = 963,9cd
IFamarillo = 20mA
SPamarillo = IVamarillo · IV Ramarillo ·Namarillo = (6000x10
−3)cd · (1) ·126 = 756cd
IFverde = 15mA
17
4 Marco metodológico
SPverde = IVverde · IV Rverde ·Nverde = (12000x10
−3)cd · (0,5) ·126 = 756cd
Como se observa con estos valores de SP cada Spot estará dentro del rango de las especificaciones
detalladas en la sección 4.1.1.
4.1.3. Esquema de diseño y cálculo eléctrico
Partiendo de la cantidad de LEDs N = 126 y estableciendo tres LEDs en serie como se observa
en la figura 11, se obtiene una matriz de 3x42. A cada serie se le adiciona al final una resistencia
R = 10Ω , para equilibrar las corrientes en cada rama minimizando los efectos de las diferencias
de resistencias de cada LED.
De acuerdo al requerimiento de intensidad luminosa analizado en la sección anterior, se estableció
la corriente directa IF igual a:
Spot Rojo, IFro jo = 30mA
Spot Amarillo, IFamarillo = 20mA
Spot Verde, IFverde = 15mA
Figura 10: Gráficas de corriente y voltaje directos del LED C503B.
A partir de IF se determina el voltaje directo del diodo VF , que según una estimación de las curvas
provistas por el fabricante del LED (ver figura 10), es igual a:
Spot Rojo, VFro jo = 2 �2V
Spot Amarillo, VFamarillo = 2 �1V
Spot Verde, VFverde = 3 �1V
18
4 Marco metodológico
Según estos valores se calcula la corriente IT y VOUT de cada spot, que servirán para la siguiente
etapa del cálculo del convertidor CC/CC:
Figura 11: Matriz de LEDs.
IT = 42 · IF (2)
VR = IF ·R (3)
PR = I2F ·R (4)
VOUT = 3VF +VR = 3VF + IF ·R (5)
PT =VOUT · IT (6)
En la tabla 2, se resumen los cálculos para cada Spot donde el valor más importante es la co-
rriente total IT , que servirá para comprobar en la etapa de mediciones si el Spot cumple con las
especificaciones de intensidad luminosa.
N IF(mA) VF(V) IT(mA) VR(V) VOUT (V) PR (mW) PT (W) SP (cd)
Spot Rojo 126 30 2.2 1260 0.30 6.90 9 8.69 945 a 1000
Spot Amarillo 126 20 2.1 840 0.20 6.50 4 5.46 550 a 650
Spot Verde 126 15 3.1 630 0.15 9.45 2.2 5.95 710 a 800
Tabla 2: Cálculos del Spot.
19
4 Marco metodológico
4.1.4. Diseño del PCB
El esquemático de la matriz de 3x42 LEDs de la figura 12, se desarrolla en un archivo .SchDoc
dentro de un proyecto de «Altium», en donde los puntos de alimentación de la matriz se denominan
Vout y GND. De igual forma se agrega un capacitor a la entrada para estabilización de voltaje.
.
Figura 12: Esquemático del Spot.
A partir del esquemático se genera el archivo .PcbDoc, en donde se establecen las dimensiones,
forma, ubicación de componentes y trazado de pistas del Spot. Al mismo tiempo se importa el
diseño de CAD de la figura 9, sirviendo como referencia para definir el área circular del PCB, per-
mitiendo también ubicar con mayor facilidad y exactitud cada componente diseñado en «Altium».
Entre las principales características del PCB diseñado (ver figura 13) se encuentran:
Diseño en doble capa con máscara antisoldante (Top Layer y Bottom Layer).
Igual orientación del componente LED para facilitar la etapa de soldado.
Resistencias de 10Ω de montaje superficial SMD.
Capa para serigrafía de componentes en ambas caras del PCB (Top Overlay y Bottom Over-
lay).
Agujeros para soldar los 4 conectores hembra del convertidor CC/CC.
Agujeros para soporte mecánico.
20
4 Marco metodológico
Para optimizar espacio y facilitar el trazado de pistas, se emplean resistencias SMD de 10Ω encap-
sulado 0805 (2 mmx1.25 mm) de 1/8 W, ubicados en el Top Layer cerca de cada serie de 3 LEDs.
Para el modelo de LED C503B de agujero pasante, se diseña la serigrafía del LED en el Bottom
Layer, con la finalidad de que una vez construido el PCB se suelde cada LED en la capa opuesta a
las resistencias SMD.
Como ya se mencionó el PCB del convertidor CC/CC, se acopla en el Top Layer del spot de LEDs,
mediante cuatro conectores hembra, dos de alimentación de Vout y GND, y los otros sin conexión
X1, X2.
Por último se establecieron reglas para el ruteo de pistas, siendo la principal de ellas el mantener un
mínimo de 6 milésimas de pulgada, tanto para el ancho de las pistas como para la separación entre
dos partes de cobre cualquiera y agujeros pasantes con un mínimo de 0.3 mm de diámetro. Estas
reglas se basaron en las parámetros mínimos de fabricación del proveedor PCB Way, para una
placa PCB de bajo costo. Sin embargo en el diseño final de todos los PCBs, el trazado de pistas y
agujeros estuvieron por encima de los mínimos para evitar el incremento de costo de manufactura.
Figura 13: Diseño PCB del spot de LEDs en Altium.
En la figura 14, se puede observar el PCB final con la matriz de LEDs soldados en una cara y en la
otra los conectores tipo peineta de alimentación con las resistencias SMD de cada serie. Se mandó
a fabricar ambas capas del PCB con mascara antisoldante en color negro, para dar un fondo oscuro
y no desentonar con el color negro de la unidad de semáforo.
21
4 Marco metodológico
Figura 14: PCB final del spot de LED.
4.2. Diseño y construcción del convertidor CC/CC
4.2.1. Especificaciones
El convertidor CC/CC utilizado para alimentar el Spot de LED es de tipo reductor o buck, en donde
las condiciones de diseño que se buscaron para el convertidor es:
Voltaje de alimentación VIN de 11V a 17V.
Regulación de corriente para cada valor IT del Spot rojo, amarillo y verde (ver cuadro 2).
Frecuencia de conmutación mayor a 800 kHz.
Rendimiento η > 80%.
4.2.2. Diseño del convertidor en WEBENCH
Para facilitar el diseño de convertidores, Texas Instruments ofrece una herramienta onlinegratuita
llamada «WEBENCH» en donde basta con indicar el voltaje mínimo y máximo de alimentación,
la corriente total de salida, y la frecuencia de conmutación del convertidor. Automáticamente esta
herramienta propone un integrado acorde a los requerimientos, dimensiona cada componente, ge-
nera una lista de materiales BOM, calcula los valores de operación, y genera también un PCB que
puede ser exportado a «Altium», esto puede observarse en la figura 15 a lo que se suma también
opciones como simulación del convertidor, optimización, análisis térmico, etc.
22
4 Marco metodológico
Figura 15: Software de diseño WEBENCH.
Dentro del software se ingresaron las especificaciones detalladas en el punto anterior, tomando los
valores VOUT e IT (ver tabla 2) del Spot rojo, ya que éste demanda mayor corriente del convertidor.
Se obtuvo como resultado un convertidor CC/CC que se basa en el integrado LM3409 de Texas
Instruments diseñado para aplicaciones de iluminación LED. En la ventana del software se observa
el esquema circuital que también puede encontrase en la hoja de datos del integrado (ver figura 16)
junto con las ecuaciones para calcular los componentes, recomendaciones para el diseño del PCB,
aplicaciones del convertidor y demás información propia del integrado.
23
4 Marco metodológico
Figura 16: Esquemático del convertidor CC/CC [14].
Los valores de los componentes calculados por el software se detallan en la tabla 3, sin embargo
se puede hacer el cálculo de forma manual basándose en las ecuaciones provistas en la hoja de
datos del integrado. En este caso se realizó una comprobación de valores de los componentes
principales que definen el funcionamiento del convertidor. En la tabla 3 también se encuentran las
especificaciones de diseño o valores de operación ingresados en el software.
Símbolo Valor Unid
COMPONENTES
COFF 470 pF
ROFF 6.04 kΩ
RSNS 0.19 Ω
RUV1 16.5 kΩ
RUV2 49.9 kΩ
CIN 1 uF
COUT 1 uF
L1 56 uH
CBYP 1 uF
VALORES DE OPERACIÓN
Voltaje de Ingreso VIN 17 V
Voltaje de Salida VOUT 6.9 V
Corriente total IT 1260 mA
Frecuencia de conmutación fSW >800 kHz
Tabla 3: Componentes y valores de operación obtenidos en WEBENCH.
24
4 Marco metodológico
Los componentes ROFF , COFF , el ciclo de trabajo D y el tiempo de apagado tOFF intervienen en el
cálculo de la frecuencia de conmutación fSW del MOSFET Q1, como se observa en (7) y (8):
tOFF =−ROFF × (COFF +20pF)× ln
(
1− 1,24V
VOUT
)
(7)
tOFF =−6,04kΩ × (470pF +20pF)× ln
(
1− 1,24V
6,9V
)
= 586,29 ns
fSW =
1−D
tOFF
=
1−
(
VO
η×VIN
)
tOFF
(8)
fSW =
1−
(
6,9V
0,85×17V
)
586,29ns
= 891 kHz
Por lo tanto se comprueba que fSW = 891kHz cumple con las condiciones de diseño. Permitiendo
también a partir del valor tOFF y L1 determinar la corriente de rizado del inductor ∆iL−PP como se
puede ver en (9).
∆iL−PP =
VO× tOFF
L1
(9)
∆iL−PP =
6,9V ×586,29ns
56uH
= 72,2mA
En el circuito de control de corriente pico (ver figura 17), otro de los componentes principales
que interviene en el funcionamiento del convertidor es la resistencia RSNS, con la cual se define la
corriente total de salida mediante (10) y (11).
IT =
VADJ
5×RSNS
− ∆iL−PP
2
(10)
VCST =
VADJ
5
=
1,24V
5
= 248 mV (11)
El voltaje que se genera en RSNS (VSNS ) se compara con el umbral de detección de corriente
ajustable (VCST ) desactivando Q1 si VSNS>VCST , logrando así la regulación de corriente en la salida
IT . Ya que el pin 2 (IADJ ) del LM3409 se deja abierto, VADJ toma el valor máximo de 1.24V del
diodo zener D1, que a su vez aumenta el umbral de detección VCST provocando que la corriente
de salida IT sea la máxima posible para esa configuración de RSNS. Por lo tanto comprobando la
corriente IT con (8) para el valor de RSNS = 0,19Ωse tiene que:
IT =
1,24V
5×0,19Ω
− 72,2mA
2
= 1271 mA
Valor que está acorde a las condiciones de diseño.
25
4 Marco metodológico
Figura 17: Circuito de control de corriente pico [14].
Otras función del software «WEBENCH» es la simulación del convertidor, donde se puede visua-
lizar las señales de voltaje y corriente de los principales puntos de circuito. En la figura 18, se
observa la señal de voltaje de conmutación VSW antes del inductor, el voltaje de salida VOUT , volta-
je de ingreso VIN y la corriente del inductor IL1 que en la práctica viene a ser igual que la corriente
de salida IT . Posteriormente en la etapa de medición con osciloscopio del convertidor, se deberán
obtener señales similares.
Figura 18: Simulación del convertidor en WEBENCH.
26
4 Marco metodológico
Por último una función interesante del software es la simulación térmica del PCB, que proporciona
información termográfica de los puntos críticos de calentamiento (ver figura 19). Lo cual puede ser
de gran ayuda a la hora de diseñar y ubicar los componentes de la tarjeta PCB, con el fin de mejorar
la disipación de calor.
Figura 19: Simulación termográfica del convertidor en WEBENCH.
4.2.3. Diseño del PCB
Al igual que el Spot de LED el esquemático del convertidor se desarrolla en el mismo proyecto
de «Altium», (ver figura 20) tomando los componentes que propuso WEBENCH. A pesar de que
el software de TI permite exportar el esquemático y el PCB con el trazado de pistas, se optó
por desarrollar desde cero creando cada componente en la misma librería del proyecto. Se tomó
unicamente como referencia el diseño de TI, en especial para la elaboración del PCB tomando el
mismo tamaño, ubicación de componentes, número de capas, etc.
27
4 Marco metodológico
Figura 20: Esquemático del convertidor CC/CC en Altium.
Una consideración importante es que se adiciona una resistencia R f paralela a RSNS, con la que se
realiza el ajuste de corriente de acuerdo a la salida del Spot. Para determinar R f se introduce el
término dentro de (9), calculando previamente la resistencia en paralelo RP:
RP = RSNS‖R f =
VADJ
5
(
IT +
∆iL−PP
2
) (12)
R f =
1(
1
RP
− 1RSNS
) (13)
La resistencia calculada RSNS = 0,19Ω por el software de TI en la sección anterior, se sustituye
por un valor de RSNS = 0,56Ω y se calcula R f con (12). Estos cálculos se encuentran resumidos en
la tabla 4, en donde los valores comerciales de R f para cada convertidor son :
R fro jo = 0,22Ω
R famarillo = 0,56Ω
R fverde = 1Ω .
28
4 Marco metodológico
IT(mA) VADJ(V) ∆iL−PP(mA) RSNS (Ω ) RP (Ω ) Rf (Ω )
Convertidor Spot Rojo 1260 1.24 72.2 0.56 0.19 0.28
Convertidor Spot Amarillo 840 1.24 72.2 0.56 0.28 0.56
Convertidor Spot Verde 630 1.24 72.2 0.56 0.37 1.1
Tabla 4: Cálculos de la resistencia de ajuste RP.
A partir del esquemático se genera el archivo .PcbDoc, en donde se establecen las dimensiones,
forma, ubicación de componentes y trazado de pistas. Entre las principales características del PCB
se encuentran:
Diseño de 4 capas con máscara antisoldante (Top Layer y Bottom Layer).
Componentes de montaje superficial SMD.
Capa de serigrafía de componentes.
Agujeros para soldar los 4 conectores macho que dan soporte mecánico y alimentación al
Spot (VOUT ).
Terminales para energizado VIN .
En cuanto a los componentes SMD se utilizaron encapsulados 0805 (2 mmx1.25 mm) en resisten-
cias y condensadores, siendo los únicos componentes de agujero pasante los terminales y conecto-
res de alimentación (VIN y VOUT ) y la resistencia R f . En la figura 21 se observa el diseño final de
«Altium» del PCB concebido para conectarse en la parte posterior del Spot de LED por medio de
los conectores Vout, GND, X1 y X2. Y al igual que el Spot de LED se utilizaron las mismas reglas
de ruteo, y consideraciones de diseño para su posterior fabricación con el proveedor PCB Way.
Figura 21: Diseño PCB del convertidor CC/CC.
29
4 Marco metodológico
En la figura 22 se observa el resultado final de la manufactura del PCB fabricada también con
mascara antisoldante de color negro, que se conecta en la parte posterior del Spot.
Figura 22: PCB final del convertidor CC/CC.
4.3. Diseño y construcción del Controlador
4.3.1. Especificaciones
Para el controlador de la unidad de semáforo, las condicionesde diseño se basaron en lo que ofrece
el mercado en cuanto a sistemas de control que son :
Voltaje de alimentación VIN de 11V a 17V.
Seis salidas de relés con indicador LED de activado.
Capacidad de expansión de hasta 18 salidas.
Puerto de comunicación USB/RS232 para programación.
Pulsantes para prueba de salidas e inicio de secuencias.
Terminales atornillables robustos para alimentación del controlador y de cada salida de los
módulos LED.
Entradas analógicas para el uso de sensores.
Agujeros para soporte mecánico en gabinetes.
30
4 Marco metodológico
4.3.2. Esquema de diseño
El controlador se divide en dos partes que son el módulo de control y la tarjeta de desarrollo
MSP432 de Texas Instruments. La primera no es más que una tarjeta PCB con todos los peri-
féricos de entrada y salida (ver figura 23), que se acopla sobre los pines de la tarjeta MSP432.
La alimentación del sistema se realiza en el módulo de control, que mediante reguladores de 5V
y 3.3V brinda alimentación a la tarjeta MSP432. Cada salida de relé con su LED indicador se
activada mediante un MOSFET M.
Figura 23: Esquema del módulo de control.
Para brindar la capacidad de expansión se utiliza el principio de apilamiento que emplean muchas
tarjetas de desarrollo libre como el MSP432. Dicho concepto en TI se conoce como BoosterPack
(ver figura 24), que a partir de una tarjeta base se agregan módulos que pueden ser de comunica-
ciones, wireless, sensores, pantallas LCD, etc. En este caso el sistema permite apilar tres módulos
idénticos dotando al sistema con 18 salidas.
31
4 Marco metodológico
Figura 24: Concepto de booster pack de Texas Instruments [16].
Al plantear este concepto de apilamiento surge un problema, por ejemplo si se toma el pin P4.1
del MSP432 (ver figura 25) y se lo configura como salida, al momento de apilar solo un módulo
de control no abría ningún inconveniente, haciendo que el pin P4.1 controle la salida de relé 1 de
ese módulo. El problema se presenta cuando se trata de apilar un segundo y tercer módulo, ya que
el PCB es el mismo en los tres módulos, el pin P4.1 en este caso controlaría la salida 1 de todos
los módulos, activándolos en paralelo lo cual no sería de gran utilidad si se quiere programar tres
unidades de semáforo con tiempos independientes.
Para solucionar este problema y que el MSP432 pueda controlar de forma independiente cada
salida, se realiza eléctricamente la solución que se observa en la figura 25. En este caso el pin
P4.1 configurado como salida pasa primeramente por una resistencia RA1 = 0Ω tipo jumper que
habilita el MOSFET M1. En este módulo # 1 no se suelda la resistencia RA3 = 0Ω , así que cuando
el controlador manda activar el pin P6.6 el MOSFET M1 no se ve afectado.
32
4 Marco metodológico
Figura 25: Principio de activación de salidas del módulo # 1.
Por otro lado en el módulo # 2, el pin P6.6 pasa por la resistencia RA3 y habilita el MOSFET M1,
como se observa en la figura 26. Al igual que en el módulo #1 no debe soldarse la resistencia RA1
para que cuando el MSP432 mande activar el pin P4.1 el MOSFET M1 no se vea afectado.
Figura 26: Principio de activación de salidas del módulo # 2.
33
4 Marco metodológico
En el tabla 5 se detalla el mapeo de pines del MSP432 para las 6 salidas, pulsantes, entradas
analógicas y puerto serial. Las salidas 1 y 4 se utilizarán para encender módulos de LED rojo, las
salidas 2 y 5 para el amarillo y las salidas 3 y 6 para el verde.
Modulo #1 Modulo #2 Modulo #3
Salida # 1 P4.1 P6.6 P2.5
Pin del MSP432
Salida # 2 P4.6 P6.7 P3.0
Salida # 3 P2.7 P2.3 P5.7
Salida # 4 P2.6 P5.1 P5.0
Salida # 5 P2.4 P3.5 P5.2
Salida # 6 P5.6 P3.7 P3.6
Pulsante S1 P9.0
Pulsante S2 P8.0
AN0 P6.1
AN1 P4.0
Rx P3.2
Tx P3.3
Tabla 5: Mapeo de pines del MSP432.
A continuación se detallan las principales características de la tarjeta de desarrollo LaunchPad
MSP432:
Microprocesador MSP432P401R de baja potencia y alto rendimiento
Frecuencia de 48 MHz, 32 bits ARM Cortex M4F con unidad de punto flotante y la acelera-
ción DSP
Memoria Flash de 256kB y 64KB de RAM
Temporizadores, 4 x 16 bits y 2 x 32 bits.
Comunicación I²C, SPI, USB
Conector de 40 pines BoosterPack
Emulador XDS-110ET
2 Botones y 2 LEDs para la interacción del usuario
34
4 Marco metodológico
Figura 27: Tarjeta de desarrollo MSP432 de Texas Instruments [16].
4.3.3. Diseño del PCB
Se realizó el mismo proceso para el Spot de LED y convertidor diseñando desde cero todos los
componentes y agregando a la librería del proyecto «Altium». Con respecto al esquema se dis-
tinguen tres bloques, el primero se observa en la figura 28, que corresponde a los reguladores de
voltaje para +5V y +3.3V basados en los integrados LM22675 y el NCP1117.
Figura 28: Esquemático del bloque de regulación en Altium.
El segundo bloque del esquemático se observa en la figura 29, que comprende el circuito para el
apilamiento de módulos descritos en la sección anterior. Se utilizaron tres integrados NUD3105D
35
4 Marco metodológico
de montaje superficial como controladores de cada relé, cada uno de los cuales tiene en su interior
dos MOSFETs. Así también, en paralelo a cada relé, se utilizaron LEDs SMD como indicativo
visual de la activación de las salidas. De igual forma para optimizar espacio se empleó un arreglo
de resistencias tipo jumper SMD que según el número de módulo que se quiera aplicar, se sueldan
unicamente dos por placa, es decir RA1 y RA2 para el módulo # 1, RA3 y RA4 para el módulo # 2
yRA4 y RA5 para el módulo # 3.
Figura 29: Esquemático del bloque de salidas en Altium.
Por último un tercer bloque, detallado en la figura 30, en donde se diseña el mapeo de pines de la
tabla 5 de la sección anterior. Como se observa en la figura 27 la tarjeta MSP432 tiene tres bloques
de pines, por lo que se diseñan los componentes J1, J2, J3 y J4 , que corresponden a conectores
hembra.
36
4 Marco metodológico
Figura 30: Esquemático del bloque de mapeo en Altium.
El siguiente paso es generar el archivo .PcbDoc, en donde se realizan las dimensiones, forma,
ubicación de componentes y trazado de pistas. Entre las principales características del PCB se
encuentran:
Diseño de 4 capas con máscara antisoldante (Top Layer y Bottom Layer).
Componentes de montaje superficial SMD.
Capa de serigrafía de componentes.
Agujeros aislados para soporte mecánico
y alimentación al Spot (VOUT ).
Terminales para las salidas y energizado VIN , GND.
En la figura 31 se observa el diseño final en «Altium» del PCB siendo esta tarjeta la de mayor
complejidad en el ruteado de pistas. Cabe mencionar que cada relé, indicadores de LED y termi-
nales de salida se ubicaron estratégicamente en los bordes derecho e izquierdo para facilitar su
identificación y conexión de cables al energizar los convertidores del módulo LED.
37
4 Marco metodológico
Figura 31: Diseño PCB del módulo de control.
En la figura 32 se observa el resultado final de la manufactura del PCB fabricada también con
mascara antisoldante de color negro.
Figura 32: PCB final del módulo de control.
38
4 Marco metodológico
4.4. Programación del Sistema de Control
4.4.1. Especificaciones
Para la programación del software controlador, se tomaron en cuenta las normativas vigentes del
Reglamento Técnico Ecuatoriano en Señalización Vial [7] con el fin de manejar términos y concep-
tos técnicos similares. También se consideraron las funcionalidades de los distintos programadores
que se ofrecen en el mercado, para obtener un software de programación similar. Entre las princi-
pales especificaciones del software controlador están:
Calibración del ciclo total de la secuencia de operación.
Tiempo de transición ajustable (duración del color amarillo).
Secuencia de encendido prefijada.
Manejo de hasta 2 fases por cada módulo de control (2 semáforos).
Calibración independiente del tiempo de duración de cada intervalo (rojo, amarillo, verde)
de una fase.
La programación del controlador se define en dos etapas que son el algoritmo de controly el
software de PC. El primero encargado de correr la secuencia de operación y activar las salidas del
módulo de control, mientras que el segundo permite simular y cargar los tiempos de duración de
cada intervalo y ciclo total en el controlador.
4.4.2. Algoritmo de controlador y Software del PC
El algoritmo de control se programa con el IDE de desarrollo de Texas Instruments llamado «Ener-
gia» (ver figura 33), en donde se ingresa el código para configuración de pines, creación de va-
riables, comunicación serial, lazo principal de secuencia de operación, subrutinas para lectura de
datos, activación de salidas, secuencias de seguridad, etc.
39
4 Marco metodológico
Figura 33: Entorno de desarrollo Energia.
El código del algoritmo de control realiza en primer lugar la configuración de todos los pines según
el mapeo de la tabla 5 de la sección 4.3.2 , posteriormente se carga la secuencia de encendido
durante un tiempo fijo que comprende a las salida 2 y 5 en intermitente (Spot Amarillo) y salidas
1 y 4 fijas (Spot Rojo). A continuación se habilita la comunicación serial y se ingresa en el lazo
principal del código, en donde el microprocesador ejecuta la subrutina principal con la secuencia
de operación. Previo a esta subrutina se crea una matriz de secuencia donde se guarda en cada fila
el estado de todas las salidas correspondiente a cada intervalo.
Para comprender cómo se ejecuta la secuencia de operación en la tabla 6, se muestra un ejemplo
de una secuencia con un ciclo total de 11 segundos. Mediante un contador que va desde i=0 hasta
el tiempo total del ciclo, se toma el valor (0=apagado, 1=activado) de toda la fila de la posición i
de la matriz y se lo pasa al correspondiente pin de salida del MSP432. Una vez que i es igual a
11 se reinicia el contador y comienza nuevamente la secuencia, utilizando en todo este proceso un
Timer que se ejecuta cada segundo para el incremento de la variable i.
40
4 Marco metodológico
FASE 1 FASE 2
i Salida 1 Salida 2 Salida 3 Salida 4 Salida 5 Salida 6 i
0
Intervalo 1
0 0 1 1 0 0
Intervalo 1
0
1 0 0 1 1 0 0 1
2 0 0 1 1 0 0 2
3
Intervalo 2
0 1 0 1 0 0 3
4 0 1 0 1 0 0 4
5
Intervalo 3
1 0 0 1 0 0 5
6 1 0 0 0 0 1
Intervalo 2
6
7 1 0 0 0 0 1 7
8 1 0 0 0 0 1 8
9 1 0 0 0 1 0
Intervalo 3
9
10 1 0 0 0 1 0 10
11 1 0 0 1 0 0 Intervalo 4 11
Tabla 6: Matriz secuencial.
En el mismo lazo principal a mas de la subrutina de secuencia se ejecuta también una subrutina de
comunicación siempre y cuando se reciba algún dato por el puerto serial. Dentro de este bloque
de código se reciben los tiempos de cada intervalo, el ciclo total, y una variable llamada estado
que sirve para determinar el orden de activación de las salidas en cada fase. De igual forma en
el lazo principal se verifica en todo momento el estado de los pulsantes que activan a su vez la
secuencia de seguridad y la de test. En la secuencia de seguridad las salidas correspondientes al
Spot amarillo permanecen intermitentes, mientras que para la secuencia de test se activan todas las
salidas durante una determinado tiempo.
En cuanto al software del PC este básicamente permite hacer una simulación de la secuencia de
operación antes de cargarla en el controlador, permitiéndole al usuario modificar los tiempos de
cada intervalo y las condiciones de activación de cada salida. Cuando se decide cargar los datos
en el controlador el software comprueba automáticamente si los datos se transfieren, o no, con
éxito, notificando en todo momento al usuario en el monitor serial. En la figura 34 se observa
la interfaz gráfica desarrollada en «Visual Studio» en donde se define claramente cada fase con
sus respectivos tiempos de intervalos, estos últimos representados también mediante barras para
permitir una mejor visualización y acorde al estándar que se maneja en el mercado en cuanto a
software de programación.
41
4 Marco metodológico
Figura 34: Interfaz gráfica del software del PC.
4.5. Ensamblaje final
En la figura 35 se observan las pruebas de funcionamiento de todo el sistema ejecutando una
secuencia de prueba:
Figura 35: Pruebas del sistema semafórico.
42
4 Marco metodológico
4.6. Dimensionamiento de la batería de respaldo
Para dimensionar una batería de respaldo en primer lugar se debe determinar el máximo consumo
eléctrico del sistema, que este caso se obtiene cuando el módulo de control activa dos salidas de
color rojo. Siendo la corriente total igual a:
IT sistema = 2 · IT spot ro jo = 2 (1260mA) = 2520mA
Asumiendo el valor nominal de alimentación de 17V la potencia es:
PT sistema =VIN · IT sistema = 17V (2520mA) = 42,84W
Posteriormente se calcula la capacidad C en amperios-hora que se desea que supla el sistema, para
un tiempo estimado de 4 horas, que es lo recomendable para un sistema semafórico:
C = IT sistema · t = 2520mA×4h = 10Ah
En la siguiente etapa se puede utilizar las gráficas de selección de capacidad de baterías, provistas
por los distintos fabricantes [15]. Para este cálculo se utilizaron las curvas de baterías de plomo-
ácido de la marca Power Sonic (figura 36) que según el tiempo y corriente de descarga de 4 horas
y 2.52 A y tomando el inmediato superior para tener un margen de seguridad, le corresponde una
batería de 18.0AH.
43
4 Marco metodológico
Figura 36: Curva de capacidad para selección de baterías marca Power Sonic [15].
44
5 Experimentación y resultados
5.1. Análisis del Spot de LED
En primer lugar se hacen las pruebas con cada Spot de LED sin el convertidor con la finalidad de
comprobar los valores de voltaje y corriente calculados en la etapa de diseño. Para ello se conecta
cada spot mediante una fuente de laboratorio en los terminales VOUT y GND y se mide la corriente
total, voltajes de cada LED y resistencia en uno de los ramales escogido al azar de la matriz de
3x42. Estos resultados se observan en la tabla 7, en donde el principal valor a comprobar es la
corriente total IT ya que de esta depende que el Spot alcance los valores requeridos de intensidad
luminosa total SP .
VALORES CALCULADOS
VOUT (V) IF(mA) VF(V) VR(V) IT(mA) PT (W)
Spot Rojo 6.90 30 2.2 0.30 1260 8.69
Spot Amarillo 6.50 20 2.1 0.20 840 5.46
Spot Verde 9.45 15 3.1 0.15 630 5.95
VALORES MEDIDOS
Spot Rojo 6.90 29.8 2.20 0.29 1250 8.62
Spot Amarillo 6.50 20.0 2.10 0.20 841 5.47
Spot Verde 9.45 14.9 3.11 0.14 629 5.93
Tabla 7: Mediciones del Spot de LED.
5.2. Análisis del Convertidor CC/CC
A continuación se conecta el convertidor CC/CC a cada Spot y se repite el proceso de medición,
que se observa en la tabla 8. En este caso la potencia PT se calcula a partir del voltaje y corriente de
ingreso (VIN , IIN) . Al igual que en el punto anterior el principal valor a comprobar es la corriente
total IT que entrega el convertidor. Adicional a esto mediante un osciloscopio se obtienen las
señales VOUT y VSW de cada Spot para VIN = 17V (ver figuras 37, 38 y 39), en donde se comprueba
efectivamente que la frecuencia de conmutación se ajusta según el voltaje de salida.
45
5 Experimentación y resultados
VALORES MEDIDOS
VIN (V) IIN (mA) VSW(V) fSW(kHz) VOUT (V) IT(mA) PT (W)
Spot Rojo 17 960 10.6 952.3 7 1460 16.32
Spot Amarillo 17 380 9.8 965.2 6.2 842 6.46
Spot Verde 17 410 11.6 1009 9.2 650 6.97
Promedio de la Unidad de semáforo 29.75
Tabla 8: Mediciones del convertidor del módulo LED.
Figura 37: Señales VOUT y VSW del convertidor del Spot Rojo.
Figura 38: Señales VOUT y VSW del convertidor del Spot Amarillo.
46
5 Experimentación y resultados
Figura 39: Señales VOUT y VSW del convertidor del Spot Verde.
Como parte del diseño del convertidor se comparan la imagen termográfica simulada por el softwa-
re «WEBENCH» con una imagen termográfica real (ver figura 40) del convertidor CC/CC con una
temperatura promedio de 45°C, después de 8 horas de funcionamiento continuo. Aquí se puede
observar que los puntos mas críticos de generación de calor son el inductor, el diodo Schottky, y el
MOSFET, debido que por estos componentes circulan la corriente máximade salida. Para finalizar
con el análisis del convertidor CC/CC, en la tabla 9 se observan los resultados de una prueba de re-
gulación de corriente, que se realiza variando el voltaje de alimentación en un rango de 10V a 20V.
Como se puede ver la corriente IT se mantiene dentro de un rango que no afecta en la intensidad
luminosa total del Spot.
VALORES MEDIDOS
VIN (V) IIN (mA) VOUT (V) IT(mA) PT (W)
10 1200 6.90 1330 11.81
11 1130 6.50 1390 12.44
12 1120 9.45 1230 10.57
13 1010 6.90 1430 13.28
14 970 6.50 1430 13.17
15 910 9.45 1470 13.36
16 980 6.90 1440 15.76
17 960 6.50 1460 16.4
18 770 9.45 1500 13.87
19 740 6.90 1500 14.67
20 710 6.50 1490 14.21
Tabla 9: Regulación de corriente del Spot rojo.
47
5 Experimentación y resultados
Figura 40: Imagen termográfica del Spot Rojo.
5.3. Análisis del controlador
Para las pruebas de funcionamiento del controlador se conectaron las salidas 1, 2 y 3 del módulo
de control hacia su respectivo Spot de LED como se observa en la figura 5, alimentando todo el
sistema con una fuente de laboratorio. Se programó una secuencia de operación similar al ejemplo
de la tabla 6 (sección 4.2.2) pero con los siguientes valores:
Ciclo total de 60 segundos
FASE 1: Intervalo 1 = 29 seg, Intervalo 2 = 3 seg, Intervalo 3 = 28seg.
FASE 2: Intervalo 1 = 35 seg, Intervalo 2 = 19 seg, Intervalo 3 = 3seg, Intervalo 4 = 3seg.
En cuanto a lo que se puede analizar del sistema con respecto al consumo eléctrico total, éste se
relaciona directamente con la cantidad de módulos LED que se encienden al mismo tiempo. En
un secuencia normal de operación con dos fases F1 y F2, en el controlador siempre se activan
dos módulos LED al mismo tiempo, donde el máximo consumo de energía de la secuencia de
operación, se obtiene al encender los módulos LED de color rojo que son los que demandan mayor
corriente. A partir de las mediciones de la tabla 9, para el valor nominal de 17V la corriente total
del sistema sería 2xIIN = 2×0,96A = 1,92A y la potencia 2xPT = 2×16,4W = 32,8W , mientas
que para un voltaje mínimo de VIN = 10V la corriente es 2,4A y la potencia 23,62W .
En resumen la potencia máxima del sistema es 32,8W , mientras el promedio de toda la unidad de
semáforo (ver tabla 8) es 29,75W , que está por debajo del valor calculado de 42,84W con el que
se dimensiona la batería de respaldo.
5.4. Presupuesto
En la siguiente tabla se detalla el costo aproximado de la manufactura de los PCBs.
48
5 Experimentación y resultados
Lista de Materiales Cantidad Valor unitario Valor total
PCB Spot de LED 195x195mm 3 $1.3 $3.9
PCB convertidor 55x50mm 3 $8.5 $25.5
PCB controlador 111x84mm 1 $17.2 $17.2
MSP432 de Texas Instruments 1 $12.99 $12.99
BOM de materiales 1 $112.7 $112.7
Diseño de los PCBs 220horas $5 $1100
Soldadura de componentes 80horas $5 $400
Costos de envío de los PCB 1 $130 $130
Materiales y herramientas 1 $50 $50
TOTAL $1852.29
Tabla 10: Costo de elaboración de los PCBs
49
6 Conclusiones
Para diseñar un prototipo con aspiraciones comerciales de venta, es necesario hacer un estudio
previo de los sistemas que ofrece el mercado, identificar sus debilidades, y sobre todo basarse
en la normativas que rigen en el sector con finalidad de proponer mejoras en cuanto a eficiencia
energética e innovaciones en los sistemas tradiciones.
En el diseño del Spot respecto al desarrollo de la distribución geométrica se demuestra que el
combinar herramientas de diseño como «AutoCAD» ahorra tiempo y facilita la ubicación de com-
ponentes, que hubiera resultado imposible de lograr en la ventana de diseño de PCB de «Altium».
En cuanto al esquemático al diseñar una matriz de tres diodos en serie, en caso de pérdida de uno de
los ramales no se vería afectada la intensidad luminosa total, al igual que el utilizar una resistencia
al final de la serie brinda estabilización y balance de corriente en toda la matriz.
Se comprobó que el convertidor CC/CC diseñado con el software «WEBENCH» en la etapa de
pruebas y mediciones cumple con las especificaciones de diseño ingresadas, en especial en la
regulación de corriente ante cambios del voltaje de entrada, demostrando un consumo bajo de
potencia. El concepto de diseñar el PCB para conectarse en la parte posterior del Spot de LED
facilita la sujeción, conexión eléctrica y el reemplazo en caso de fallo.
En cuanto al diseño del controlador el módulo final cumple con las características básicas de un
«BoosterPack» de Texas Instruments, permitiendo apilar hasta tres módulos y con ello manejar
seis unidades de semáforo. El uso de tecnología SMD en el diseño del PCB permitió obtener una
tarjeta de tamaño reducido, logrando ubicar sin problema los componentes de cada periférico como
reguladores de voltaje, pulsantes de test, conectores de alimentación, puerto de comunicaciones y
relés de activación. De igual manera el usar una de las tarjetas de desarrollo de altas prestaciones,
bajo consumo, confiable para aplicaciones de tiempo real como el LauchPad MSP432, permite op-
timizar los tiempos de desarrollo de prototipos, centrando toda la atención en las funcionalidades
que se desea para el proyecto, sin preocuparse de la circuitería necesaria propias de los micropro-
cesadores.
Por último el software de programación maneja los conceptos y términos propios de estos sistemas,
que permite simular, configurar los intervalos de cada fase y el tiempo de ciclo total de la secuencia
de operación. Mediante un protocolo industrial de comunicaciones el usuario puede cargar los
datos en el controlador, contando también en el software con un monitor serial para verificar la
transferencia correcta de datos.
50
7 Recomendaciones
Para el diseño de iluminación LED se pueden utilizar las hojas de datos de los componentes pa-
ra determinar los valores de intensidad luminosa del LED, sin embargo si se diseña un arreglo
matricial como el caso del Spot es necesario comprobar con un instrumento propio como el espec-
trómetro.
En cuanto a la calibración del convertidor CC/CC para una determinada corriente, se recomienda
utilizar el pin del integrado propio para el ajuste de corriente IADJ mediante una señal analógica
externa. Esto puede ser útil si desea por ejemplo, que a partir de un sensor de luz, se ajuste au-
tomáticamente la iluminación y por ende aumentar o bajar el consumo del Spot de LED según el
ambiente externo.
Para el diseño multicapa del PCB de ser posible los planos internos deben corresponder a la alimen-
tación Vcc y GND. Esta consideración de diseño a más de facilitar el trazado de pistas es óptimo
para el apantallado de ruidos y disipación de calor. Dentro de este proceso de diseño también se
recomienda establecer y configurar en el software de diseño las reglas de ruteo de acuerdo a las es-
pecificaciones del fabricante, como en este caso el proveedor online PCB Way. Esto permite evitar
posibles sobreprecios debido a trazos de pistas que requieren una manufactura mas compleja.
En cuanto al software de PC conviene desarrollar algoritmos genéricos en un lenguaje orientado a
objetos como C#,C++ que no dependan de librerías exclusivas del IDE en el que se esté diseñando
la aplicación.
51
8 Trabajo futuro
Para el módulo LED se puede proponer un diseño que unifique tanto el PCB del LED como el
convertidor CC/CC. Se puede pensar esta solución ya que los componentes de convertidor no
ocupan un gran espacio en el PCB.
En cuanto al controlador se debería agregar una interfaz gráfica que permita su programación
sin necesidad de un PC. De igual forma se puede incorporar al módulo de control la etapa del
convertidor AC/CC con todo el circuito necesario para que en caso de pérdida de energía, el sistema
realice la conmutación automática a un banco de baterías de respaldo. Así también en una siguiente
etapa de diseño, se podría incorporar al PCB el microprocesador, manteniendo el concepto de
expansión de salidas.
Por último para el controlador es necesario contar con un monitor de conflictos que en caso de
fallos de programación impida la apariciónde patrones de iluminación potencialmente peligrosos
en una intersección. Mantener el concepto de «BoosterPack» de TI para el controlador permite
que el sistema sea escalable, es decir si se necesita dotar con comunicación inalámbrica basta con
agregar el módulo, logrando que una tarjeta base de bajo costo se le agreguen los módulos según
la necesidad del cliente.
Para la etapa de control de calidad se debe crear un banco de pruebas que someta a todo el sistema
a las máximas cargas, es decir activando todas las salidas del módulo para detectar posibles fallos,
como recalentamientos de componentes, fugas de corriente, aislamiento eléctrico, etc. La siguiente
etapa del control de calidad sería armar toda la estructura semafórica e instalarla a la intemperie.
52
Bibliografía
[1] Akanegawa, M.; Tanaka, Y.; Nakagawa, M., “Basic study on traffic information system using
LED traffic lights,” in Intelligent Transportation Systems, IEEE Transactions on , vol.2, no.4,
pp.197-203, Dec 2001.
[2] Ferreira, M.; d’Orey, P.M., “On the Impact of Virtual Traffic Lights on Carbon Emissions Mi-
tigation,” in Intelligent Transportation Systems, IEEE Transactions on , vol.13, no.1, pp.284-
295, March 2012.
[3] Joint Industry and Traffic Engineering Council Committee, “Vehicle Traffic Control Signal
Heads: LED Circular Signal Supplement Purchase Specification,” ITE Std ST-052-E, pp. 1-
44, June, 2005.
[4] Joint Industry and Traffic Engineering Council Committee, “Pedestrian Traffic Control Signal
Indicators-Light Emitting,” ITE Std ST-055-E, pp. 1-24, Feb, 2011.
[5] Liu, J., Liu, Sheng, and Luo, Xiaobing. “LED Packaging for Lighting Applications : Design,
Manufacturing, and Testing”. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2011.
[6] Kell, J. H.; Fullerton, I. J., "Manual of traffic signal design", Institute of Transportation En-
gineers, Edition 2, 1990.
[7] C. Milla, “La Batería de Plomo-Acido” consulta: Marzo-2016 [Online]. Available:
http://www.olajedatos.com/documentos/baterias_plomo.pdf .
[8] UTFSM, “Tecnologías de baterías” consulta: Marzo-2016 [Online]. Available:
http://www2.elo.utfsm.cl/~elo383/apuntes/PresentacionBaterias.pdf.
[9] EcuRed, “Baterias Ni-Cd” consulta: Abril-2016 [Online]. Available:
https://www.ecured.cu/Bater%C3%ADas_de_Ni-Cd
[10] INEN, “Reglamento Técnico Ecuatoriano de Señalización Vial. Semaforización”,
2012 consulta: Abril-2016 [Online]. Available: http://www.normalizacion.gob.ec/wp-
content/uploads/downloads/2013/11/rte_4_5.pdf
[11] DobleVia, “Tránsito y transporte”, 2015 consulta: Abril-2016 [Online]. Available:
https://doblevia.wordpress.com/2015/03/30/transito-y-transporte-2015a-semaforizacion-
correccion-de-lo-visto-en-clase/
[12] UNDLA, “Convertidor CC-CC”, consulta: Abril-2016 [Online]. Available:
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/martinez_v_da/capitulo2.pdf
[13] R. Penin, “Comunicaciones industriales”. España: Marcombo, 2008.
53
Bibliografía
[14] Texas Instruments, “LM3409”, 2016 consulta: Abril-2016 [Online]. Available:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3409.pdf
[15] Power-Sonic, “SLA Batteries”, 2012 consulta: Julio-2016 [Online]. Available:
http://www.power-sonic.com/images/powersonic/literature/SLA_Batteries/20110920-
TechManual-Lo.pdf
[16] Texas Instruments, “MSP432P4x”, 2015 consulta: Abril-2016 [Online]. Available:
http://www.ti.com/lsds/ti/microcontrollers_16-bit_32-bit/MSP432/getting_started.page
54
	1 Introducción
	2 Objetivos
	2.1 General
	2.2 Específicos
	3 Estado del arte
	3.1 Tecnología LED de alta luminiscencia
	3.2 Sistema de Semaforización
	3.3 Convertidores CC/CC para módulos LED
	3.4 Protocolo industrial de comunicación RS232/RS485
	3.5 Tecnologías existentes de baterías
	4 Marco metodológico
	4.1 Diseño y construcción del Spot de LED
	4.1.1 Especificaciones
	4.1.2 Cantidad de LEDs y distribución geométrica
	4.1.3 Esquema de diseño y cálculo eléctrico
	4.1.4 Diseño del PCB
	4.2 Diseño y construcción del convertidor CC/CC
	4.2.1 Especificaciones
	4.2.2 Diseño del convertidor en WEBENCH
	4.2.3 Diseño del PCB
	4.3 Diseño y construcción del Controlador
	4.3.1 Especificaciones
	4.3.2 Esquema de diseño
	4.3.3 Diseño del PCB
	4.4 Programación del Sistema de Control
	4.4.1 Especificaciones
	4.4.2 Algoritmo de controlador y Software del PC
	4.5 Ensamblaje final
	4.6 Dimensionamiento de la batería de respaldo
	5 Experimentación y resultados
	5.1 Análisis del Spot de LED
	5.2 Análisis del Convertidor CC/CC
	5.3 Análisis del controlador
	5.4 Presupuesto
	6 Conclusiones
	7 Recomendaciones
	8 Trabajo futuro
	Bibliografía