Un convertidor de análogo a digital para contadores de energía

analog to digital converter

Convertidor de análogo a digital (ADC) con comunicación con acceso múltiple por división en tiempo (TDMA) para automatizar y convertir los medidores de energía análogo

Escrito por Imuzeze Usidame

Este artículo es el informe de una investigación teórica sobre la posibilidad de utilizar contadores análogos para comunicar el consumo de energía a las empresas de servicio (eléctrico, agua, gas…). Tomé la decisión de investigar este tema para determinar la posibilidad de que haya una medición digital suficiente en países pobres donde los contadores digitales inteligentes no son muy adecuados. El coste de los contadores digitales es prohibitivo en la mayor parte de los países pobres del África subsahariana. Esta situación ha ocasionado el cobro incorrecto de las facturas de los consumidores, y el personal de las empresas de servicios se ha visto presionado a llevar a cabo prácticas deshonestas como la extorsión ilegal de los consumidores. Este artículo contiene los componentes y las conclusiones que resultan de la investigación teórica. 

Tipos de componentes para la conversión y comunicación electrónica de las cifras de potencia 

  1. Convertidor de análogo a digital (ADC): se puede implementar correctamente un convertidor de análogos a digital en un contador análogo conectando la fuente de energía de los cables con corriente y neutros que alimentan el disco que gira en el contador. Esta conexión en tensión y neutra se realiza con los puntos adecuados del convertidor. 
  2. El convertidor IC produce la tensión de alimentación para el ADC, que se encuentra generalmente entre los 2,5v o 3.6v. Un divisor de tensión en el interior del ADC consigue los otros voltajes. 
  3. Para la comunicación de las cifras de potencia a la oficina de servicios se utiliza la modulación con acceso múltiple por división en tiempo (TDMA). La corriente de salida del ADC necesaria para la comunicación se consigue del PMBus del ADC. En el extremo receptor, la oficina de servicios,  un demodulador recupera las cifras de energía registradas en el contador análogo. Para mi solución, la energía análoga seguirá mostrando cifras precisas mientras que el ADC funciona paralelamente.

ADC

Un convertidor de análogo a digital (ADCA/D, o A-to-D) es un sistema que convierte una señal análoga como, por ejemplo, un sonido recogido por un micrófono o la luz que entra en una cámara digital en una señal digital. Un ADC también puede hacer mediciones aisladas igual que un aparato electrónico que convierte una tensión o corriente de entrada análoga en un número digital que representa la magnitud de la tensión o corriente. Normalmente, la señal de salida digital es un número binario complemento a dos que es proporcional a la señal de entrada, pero hay más posibilidades.

Hay varios tipos de arquitecturas ADC. Debido a la complejidad y a la necesidad de componentes que encajen a la perfección, los ADC menos especializados se implementan en forma de circuitos integrados (IC). 

Texas Instruments tiene un portfolio de convertidores de análogo a digital (ADC) de alta velocidad, con velocidades de muestreo de hasta 10,4 GSPS, que ofrecen soluciones para aplicaciones de conversión de alta velocidad adecuadas para la tasa de conversión de los contadores análogos

TDMA

El acceso múltiple por división en tiempo (TDMA) es un método de canal de acceso para redes que comparten un medio. Varios usuarios pueden compartir la misma frecuencia de canal al dividir la señal en diferentes intervalos de tiempo. Los usuarios transmiten en rápida sucesión, uno tras otro, cada uno en su propio intervalo de tiempo, lo que permite que distintas emisoras compartan el mismo medio de transmisión (por ejemplo, un canal de frecuencia de radio) utilizando solo parte de la capacidad del canal. Se utiliza el TDMA en los sistemas móviles digitales 2G como Global System for Mobile Communications (GSM), IS-136, Personal Digital Cellular (PDC) y iDEN, y en el estándar para teléfonos móviles Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT).

Se utilizó TDMA por primera vez en sistemas de comunicación por satélite de Western Union en sus satélite de comunicación Westar 3 en 1979. En la actualidad se utiliza con frecuencia en las comunicaciones por satélite, sistemas de radio combat-net y en la red óptica pasiva (PON) para llevar el tráfico desde las instalaciones hasta el operador. La siguiente imagen muestra cómo se usa el paquete de comunicación Dynamic TDMA: 

analog to digital converter

Estructura TDMA que muestra el flujo de datos dividido en fotogramas y cada uno de ellos dividio en intervalos de tiempo.

TDMA es un tipo de multiplexión por división de tiempo (TDM) y lo que le hace especial es que, en lugar de tener un transmisor conectado a un receptor, existen varios transmisores. En caso de enlace de un teléfono móvil a una unidad central, la cosa se complica, ya que el móvil puede desplazarse y el avance temporal necesario para realizar su transmisión para alinearse con el tiempo de transmisión de otros móviles varía.

Aplicaciones del TDMA 

La mayoría sistemas de móviles 2G, con la notable excepción del IS-95, están basados en TDMA. GSM, D-AMPS, PDC, iDEN, y PHS son algunos ejemplos de sistemas de móviles TDMA. GSM combina TDMA con salto de frecuencia y transmisión de banda ancha para minizar los tipos de interferencia más comunes. 

En el sistema GSM, es posible sincronizar los teléfonos móviles al enviar órdenes de avance temporal desde la unidad central, que le pide al móvil que realice la transmisión antes y cuánta tensión/corriente. Esto compensa el retraso de propagación producido por las ondas de radio que viajan a la velocidad de la luz. El teléfono móvil no puede transmitir durante su intervalo de tiempo completo, aunque hay un intervalo de guarda al final de cada intervalo de tiempo. Mientras la transmisión alcanza el periodo de guarda, la red móvil ajusta el avance temporal para sincronizar la transmisión. 

La sincronización inicial de un teléfono necesita incluso más atención. Antes de que un móvil realice una transmisión, no hay forma de saber el intervalo de compensación necesario. Por este motivo, se utiliza un intervalo de tiempo completo cuando un móvil intenta ponerse en contacto con la red, lo que se conoce como random-access channel (RACH) en GSM.

El móvil trata de emitir al principio del intervalo de tiempo, como lo recibe la red. Si el móvil se encuentra cerca de la unidad central, no habrá retraso temporal y la transmisión será un éxito. Si, en cambio, el móbil se encuentra a menos de 35 km de la unidad central, el retraso temporal provocará que la emisión del móvil llegará al final del intervalo temporal. En ese caso, el móvil recibirá la orden de comenzar a emitir los mensajes en el intervalo temporal anterior. 

Finalmente, si el móvil se encuentra a más de 35 km de cobertura, entonces el RACH llegará en un intervalo de tiempo aledaño y será ignorado. Esta modalidad, más que limitaciones de potencia, limita el rango de cobertura GSM a 35 km cuando no se usa ninguna extensión especial. Sin embargo, se puede evitar esta limitación cambiando la sincronización entre el enlace ascendente y descendente en la unidad central.

Conclusión

El contador análogo relativamente barato y fácil de conseguir supone un 70% de los contadores que se usan en países subsaharianos. Esta situación no era óptima para la recaudación de impuestos, ya que los cobradores todavía van de casa en casa leyendo las cifras de consumo en contadores análogo. Mi investigación ha demostrado que es posible convertir estos contadores para que hagan su función como un contador inteligente. Esto implica la digitalización de la lectura y transmisión de las cifras mediante comunicación inalámbrica, utilizando ondas de radio para conectar con las oficinas de servicios. Numerosos proveedores de energía no se plantean operar en países pobres de África en gran parte debido a la posibilidad de que sea inviable recuperar la inversión por la falta de contadores inteligentes. 

Cuéntanos otras manera de convertir los contadores análogos en digitales y descubre qué mas puede hacer ennomotive por ti.

CONTACT US

We're not around right now. But you can send us an email and we'll get back to you, asap.

Sending

     

©2019 Ennomotive Engineering Competitions - Legal Info ENNOMOTIVE SL en el marco del Programa de Iniciación a la Exportación ICEX Next, ha contado con el apoyo de ICEX y con la cofinanciación del fondo europeo FEDER. La finalidad de este apoyo es contribuir al desarrollo internacional de la empresa y de su entorno.

 

Ennomotive te ayudará a resolver tus desafíos tecnológicos. Si tienes alguna pregunta acerca de nuestra plataforma de innovación abierta, ponte en contacto con nosotros.

Log in with your credentials

Forgot your details?