Tresna elektronikoentzako kargagailu fotovoltaiko baten diseinua, simulazioa eta prototipaketa

Abstract

EUSKERA: Gradu amaierako lan honetan tresna elektronikoentzako kargagailu fotovoltaiko bat fabrikatu da. Prototipaketara heltzeko, aurretik kargagailuaren diseinua gauzatu da eta gero, simulazioa burutu da. Modulu garrantzitsuenak diseinatu ahal izateko alternatibarik egokienak aztertu eta aukeratu dira, besteak beste, bateria mota, eguzki-zelula mota eta mikrokontrolagailua. Jarraian, 18650 Litio Ionezko bateriaren karga eta deskarga kontrolatuko dituen karga erregulatzailea diseinatu da ATMega 328P mikrokontrolagailua erabiliz. Gailuak kargatzeko, irteerako zirkuitu jasotzailea (boost) diseinatu da bateriaren 3,7 V-ak 5 V-era igotzen dituena eta 2 A-ko korrontea emateko gai dena. Proteus erabilita software bidezko simulazioa egin da eta horren ostean, zirkuituak bateratu eta inplementazio fisikoa burutu da funtzionamendu egokia ziurtatuz. Gainera, bateriaren tentsio neurgailua eta eguzki-zelulak ematen duen korronte neurgailuak garatu dira. Horrekin batera, OLED pantaila batean lortutako balio esanguratsuak bistaratu dira mikrokontrolagailuak duen I2C protokolaz baliatuz. Puntu horretatik abiatuz, zirkuitu guztiak PCB batera pasatu dira, PCB-aren fabrikazio prozesua ikasiz. Halaber, prototipoa eramangarria izateko, 3D inprimagailu bat erabiliz karkasa bat egin da. Azkenik, proiektu osoaren funtzionamendua aztertu eta funtzionamendu egokia ziurtatu da. Honekin, prototipoa era egokian tresna elektroniko ezberdinak kargatzen dituela eta hau fabrikatzea nahiko merkea dela ondorioztatu da. Gainera, graduan zehar landu ez diren hainbat teknika ikasi dira, hala nola, 3D inprimagailu baten funtzionamendua ikastea eta PCBak egitea. Laburbilduz, proiektu honetan gailu elektroniko ezberdinak karga dezakeen zirkuitu bat muntatu da, bateriaren karga eta deskarga egokia kudeatu dezakeena eta OLED pantaila batean bateriaren karga ehunekoa zein karga korrontea bistaratzen dituena. Gako-hitzak: Kargagailua, tresna elektronikoak, energia fotovoltaikoa, karga erregulatzailea, DC-DC bihurgailu jasotzailea.

ESPAÑOL: En este trabajo de fin de grado se ha fabricado un cargador fotovoltaico para aparatos electrónicos. Para poder hacer el prototipo, previamente se ha realizado el diseño del cargador y después se ha realizado la simulación. Primeramente, se han analizado las mejores alternativas de los módulos más importantes, así como el tipo de batería, el modelo de célula solar y el microcontrolador. A continuación, se ha diseñado el regulador de carga que gestionará la carga y descarga adecuada de la batería Li-Ion 18650, utilizando el microcontrolador ATMega 328P. Por otra parte, para cargar los dispositivos se ha diseñado un circuito elevador (boost) que eleva los 3,7 V de la batería a 5 V y es capaz de dar una corriente de 2 A. Posteriormente, se han realizado diferentes simulaciones con Proteus, para después unificar los circuitos y realizar la implementación física. Además, se han desarrollado el medidor de tensión de la batería y el medidor de corriente de carga proporcionado por la célula solar. Seguidamente, se han visualizado los valores significativos obtenidos en una pantalla OLED utilizando el protocolo I2C que contiene el microcontrolador. Una vez llegados a este punto, todos los circuitos se han impreso en una PCB, aprendiendo dicho proceso de fabricación. Asimismo, para que el prototipo sea portátil, se ha realizado una carcasa utilizando una impresora 3D. Por último, se ha analizado el correcto funcionamiento de todo el proyecto y se ha llegado a la conclusión de que el prototipo es capaz de cargar correctamente diferentes aparatos electrónicos y que su fabricación es relativamente económica. Además, se han aprendido diversas técnicas que no se han trabajado durante el grado, tales como el estudio del funcionamiento de una impresora 3D y la elaboración de PCBs. En resumen, en este proyecto se ha fabricado un circuito capaz de cargar diferentes dispositivos electrónicos, gestionar la carga y descarga optima de la batería y visualizar en una pantalla OLED tanto el porcentaje como la corriente de carga de la batería. Palabras clave: cargador, aparatos electrónicos, energía fotovoltaica, regulador de carga, convertidor elevador DC-DC.

ENGLISH: In this end-of-degree project, a photovoltaic charger for electronic devices has been manufactured. To get to the prototype, before the design of the charger has been carried out and then the simulation has been performed. First, the best alternatives of the most important modules have been analysed and selected, as well as the type of battery, the solar cell model and the microcontroller. Then, the charge regulator that will manage the proper charging and discharging of the 18650 Li-Ion battery has been designed, using the ATMega 328P microcontroller. Also, a boost circuit has been designed that raises the 3.7 V of the battery to 5 V and is able to give a current of 2 A to charge the devices. Afterward, different simulations have been carried out with Proteus, to later unify the circuits and do the physical implementation. In addition, the battery voltage meter and the charge current meter provided by the solar cell have been developed. Then, the significant values obtained were displayed on an OLED screen using the I2C protocol contained in the microcontroller. At this point, all the circuits have been printed on a PCB, learning the fabrication process. Also, in order to make the prototype portable, a case has been made using a 3D printer. Finally, the correct functioning of the whole project has been analysed and it has been concluded that the prototype is able to charge correctly different electronic devices and that it is relatively cheap to manufacture. Besides, several techniques have been learned that have not been worked during the degree, such as the study of the operation of a 3D printer and the elaboration of PCBs. In summary, in this project a circuit capable of charging different electronic devices, managing the optimal charge and discharge of the battery and displaying on an OLED screen the percentage and the current of the battery charge has been fabricated. Keywords: charger, electronic devices, photovoltaic energy, charge regulator, DC-DC boost converter.