Download Equipo de Electropesca de mochila con Fuente Conmutada y

Equipo de Electropesca de mochila
con Fuente Conmutada y baterías de 24V
Matías Vicentín, Luciano Orellano, Ing. Oscar, R. Vanella e Ing. Rodrigo G. Bruni
LIADE – Universidad Nacional de Córdoba, [email protected]
Resumen—El trabajo consiste en el desarrollo de un equipo
de electropesca capaz de estimular al pez mediante la
generación de un campo eléctrico de corriente continua
pulsada. Para producir un campo eléctrico en el agua acorde a
tal fin es menester contar con una fuente de energía de alta
tensión. Debido a que la aplicación de tensión continua resulta
perjudicial para el organismo del pez, se emplea tensión
pulsada, lo cual se logra comandando una llave electrónica
ubicada a la salida del generador de alta tensión. El campo así
logrado, alcanza su principal objetivo: estimulación directa de
los músculos voluntarios, visible inmovilización del pez, y en
algunos casos, nado involuntario, sin afectar funciones vitales
como la respiración. Esto resulta en un método de pesca poco
cruento, pero de gran efectividad comparado con la pesca con
redes. Cabe destacar la inclusión de sistemas de seguridad,
destinados a resguardar la integridad física de los operarios:
El equipo interrumpe su funcionamiento en caso de inminente
caída o cortocircuito de electrodos, como así también posee un
botón de parada de emergencia. Asimismo para evitar el
traslado de muchas baterías debió optimizarse el rendimiento
energético.
Palabras clave—electropesca, estímulo, campo eléctrico,
alta tensión, fuente conmutada.
I. INTRODUCCIÓN
La electropesca usa electricidad para aturdir peces antes de
capturarlos. Es un método habitualmente usado para tomar
muestras en poblaciones de peces a fin de determinar su
abundancia, densidad y especies componentes. Cuando se
ejecuta correctamente, la electropesca resulta en la ausencia
de daño permanente en el pez, el cual regresa a su estado
natural en apenas dos minutos luego de haber sido aturdido.
Existen tres clases de equipos de electropesca: tipo mochila
(back pack model), la barcaza para remolcar (towed barge
model), y los equipos instalados en botes tripulados (boat
mounted model, también llamados “stunboat”). Todos los
modelos cuentan con dos electrodos los cuales entregan
corriente al agua para aturdir el pez. La corriente va del
ánodo al cátodo, creando un potencial de alta tensión.
Cuando un pez encuentra un gradiente de potencial lo
suficientemente grande, sus músculos se ven afectados por
el mismo. Usualmente se aplica corriente de DC pulsada,
que causa galvanotaxia en el pez. La galvanotaxia es una
convulsión muscular no controlada que conlleva el nado del
pez hacia el ánodo. Al menos dos personas son necesarias
para la desarrollar bien la tarea: una que opere el ánodo, y
la otra que atrape el pez con una pequeña red de mano.
Además es necesaria la utilización de guantes y botas de
látex para evitar el contacto directo con el agua para
minimizar el riesgo de shock eléctrico del operario [1].
Los equipos de electropesca o “electrofisher” de mochila
pueden ser alimentados por baterías como también
mediante un generador a combustible fósil. Emplean un
transformador elevador antes de que la corriente sea
entregada al agua. El ánodo es localizado al extremo de una
vara de 2m de largo y es usualmente en forma de aro. El
cátodo es un cable de acero trenzado de 3m de largo que se
arrastra y pende detrás del operador.
Hay una serie de cualidades de seguridad incluidas en los
modelos de mochila más modernos, como lo son las
alarmas sonoras de operación, llaves automáticas que
inhiben el equipo en caso de encontrarse este inclinado más
de 45º, y el correaje de fácil liberación que permite al
operario deshacerse del equipo en caso de emergencia.
Cuando se usa tensión DC pulsada para pescar, la
frecuencia del pulso y la intensidad del campo eléctrico
influyen fuertemente en el tamaño y la naturaleza del
ejemplar a capturar. La conductividad del agua, que es
determinada por la concentración de iones, determina la
forma y extensión del campo eléctrico y por lo tanto afecta
las capacidades del campo para inducir el estado de
paralización del pez.
En definitiva, la electropesca consiste en la inmovilización
del pez en el agua o bien la inducción del nado hacia el
ánodo debido a un estímulo eléctrico. La percepción de una
u otra respuesta a dicho estímulo dependerá de diversos
factores, entre ellos, del tipo de especies en estudio.
El método de captura en cuestión intenta disminuir la tasa
de mortalidad de peces, lo cual es ampliamente logrado si
se compara con el uso de redes [2].
II. DESARROLLO
En primera instancia se investigó la existencia de
antecedentes en la materia, poniendo especial atención en el
tipo de campo eléctrico necesario para el correcto estímulo,
atendiendo a las principales prestaciones requeridas, a
saber: Liviano, compacto y portable, fácil manejo, robusto
y confiable, de materiales y componentes estándar y
económicos, seguro y de buen rendimiento energético [6].
Las investigaciones muestran que los gradientes de tensión
necesarios para electropesca van desde 0,1V/cm (atracción
hacia el ánodo) hasta 1V/cm (efecto de paralización) [1].
De acuerdo a la experiencia del biólogo asesor y demás
información recolectada, se estima que la conductividad del
agua en las zonas de recolección de muestras donde se
empleará el equipo varía entre 10µS/cm a 5000µS/cm.
Asimismo la conductividad del pez ronda los 1000µS/cm;
esto quiere decir que para lograr el efecto “stunning”
(aturdimiento) se precisa alrededor de 30mA para una
trucha de 20cm de longitud.
La potencia que el equipo requiere según el ciclo de trabajo
y los valores de conductividad presente en la mayoría de
los casos, está determinada por tablas [1]; la cual concuerda
con las características de los equipos utilizados en la
actualidad por los biólogos investigadores.
El equipo consta básicamente de una fuente conmutada
principal de alta tensión alimentada con 24 voltios, que está
subordinada al microcontrolador. Una vez generada la alta
tensión, esta es aplicada al agua en forma interrumpida
gracias a la operación de una llave electrónica que integra
la última etapa (Ver Fig. 1).
comando actúa sobre un IGBT (Insolated Gate Bipolar
Transistor, Transistor Bipolar de Compuerta Aislada).
Se puede optar por dos formas de onda: Pulso simple con
ciclo de trabajo del 25%, con frecuencia que parte de los
10Hz hasta los 120Hz, variando de a 10Hz; CPS (Complex
Pulse System), forma de onda patentada por Coffelt
Manufacturing, Inc., consiste en un tren de 4 pulsos con
período de 100ms (Ver Fig. 2) [3].
c) Manejo de la interfaz de usuario (teclado y display).
Atiende las interrupciones de teclado y pulsador de disparo,
y muestra información a través de un módulo LCD
alfanumérico 16 caracteres (Grandes) por 2 líneas.
Fig. 1: Diagrama en bloques del equipo.
El desarrollo del equipo se puede resumir en los
siguientes títulos.
A. Fuente Conmutada de alta tensión
Debido a las exigencias de portabilidad y de
características técnicas como la alta tensión y mediana
potencia se decidió diseñar una Fuente Conmutada (SMPS,
Switching Mode Power Supply), de topología Push-Pull
[4].
Las principales características son:
Potencia de Salida: 400W (nominal)
Tensión de Entrada: 24V (nominal)
Rango de Tensión de Entrada: 22V a 26V
Frecuencia de operación: 30KHz
Tensión de Salida: desde 100V a 500V
Corriente de Salida: 800mA @ Vout=500V
Rango de Temperatura de Operación: de 0º a 60ºC
Eficiencia: 70%
Está controlada por un circuito integrado TL494, de
conocida confiabilidad y robustez, y funciona de forma
autónoma en cuanto al manejo de los dispositivos switching
[8]. Los lazos de realimentación de tensión y corriente se
cierran internamente en esta etapa, precisando el auxilio de
un microcontrolador PIC únicamente para fijar las
referencias de tensión y corriente [7].
B. Microcontrolador
Se utilizó un microcontrolador PIC 16F873A con
frecuencia de trabajo de 4MHz. Sus funciones son:
a) Generar la señal de PWM (Pulse Width
Modulation) que luego de ser filtrada entrega las
referencias de tensión y corriente a la Fuente Conmutada.
b) Generar las formas de onda de salida, de tipo PDC
(Pulsed Direct Current, Corriente Continua Pulsada). Su
Fig. 2: Formas de Onda de salida más comunes. Pulsos con ciclo de trabajo
de 25% a: 30Hz (superior), 50Hz (medio) y CPS (inferior).
C. Seguridad
Los mecanismos de seguridad incluyen:
a) Un botón de pánico que interrumpe la alimentación
tanto del control como del relé que conecta la potencia.
b) Un sensor de inclinación que informa al
microcontrolador en caso que la mochila portante del
equipo adopte un ángulo de más de 45 grados respecto de
la normal, suponiendo inminente caída del operario. En este
caso el microcontrolador desactiva el relé y reinicia su
conexión una vez que el equipo recupera su verticalidad.
c) Avisos sonoros al inicio y de advertencia durante el
disparo.
D. Interfaz de usuario
La interfaz de usuario le permite al operario ingresar los
parámetros de funcionamiento del equipo, tales como la
forma de onda, frecuencia y tensión. Estas operaciones se
realizan con ayuda de un teclado que permite navegar por
el menú desplegado en pantalla. También se muestran
avisos durante el disparo, inclinación peligrosa,
cortocircuito de electrodos y batería baja. Al inicio muestra
la versión del firmware (programa del microcontrolador), y
cuando no se efectúan disparos, se puede visualizar la
configuración actual: forma de onda, frecuencia, tensión y
tiempo acumulado de disparo en segundos.
E. Fuentes de Alimentación
El equipo precisa fuentes de alimentación accesorias que
suministran tensión de 17V para las compuertas de los
mosfets y 5V para la placa del microcontrolador y el
módulo LCD. Estas dos fuentes fueron diseñadas con
sendos circuitos integrados MC34063.
equipo entrega la potencia nominal [5]. Esta variación del
rendimiento se observa a simple vista en la Tabla I.
TABLA I
MEDICIONES FINALES DE LA FUENTE CONMUTADA
Vout
[V]
Iout
[A]
Pout
[W]
Vin
[V]
Iin
[A]
Pin
[W]
110
330
420
500
520
0,27
0,6
0,7
0,76
0,58
29,7
198
294
380
302
24,9
23,4
22,8
22,7
23,1
2
10,4
15,6
19,9
15,2
49,8
243,4
355,7
451
350
η
[%]
60
81
82,7
84
86,2
B. Firmware
El firmware se programó en lenguaje C y se adaptó al
microcontrolador PIC 16F873A para aprovechar al máximo
sus capacidades. Se utilizó módulos de PWM, Módulos de
Timer, EEPROM interna e interrupciones. Dichos recursos
se pueden ver en el siguiente esquema (Ver Fig. 3).
F. Pruebas
Las pruebas en laboratorio realizadas en una pecera de
aproximadamente 1m3 resultaron totalmente exitosas. Los
peces utilizados fueron de la especie goldfish.
También se realizaron pruebas de campo en ríos y lagos de
la provincia de Córdoba, arrojando resultados positivos
pese a la escasez de ejemplares.
III. CONCLUSIONES
El proyecto se llevó a cabo satisfactoriamente e incluyó
una etapa preliminar de estudio e investigación de la
electropesca como método de recolección de peces, como
también el estudio y diseño de fuentes conmutadas, lo cual
demanda mucho tiempo hasta lograr un correcto
desempeño. El corazón del equipo es la fuente conmutada
principal, que naturalmente no perdona mínimas
inestabilidades, por lo cual demandó la mayor atención para
dejarla a punto.
Una vez concluido el prototipo de la etapa de potencia,
se trabajó en lograr un manejo amigable de sus parámetros,
y a su vez, se realizaron los ajustes necesarios a fin de
mejorar el rendimiento. En todo momento se buscó la
robustez en el funcionamiento pero evitando complicar
demasiado el circuito final. Se podrían agregar más
prestaciones, pero esto solo complicaría su manejo y lo
haría menos práctico. Cabe destacar que este es un equipo
hecho a pedido, o sea, debe satisfacer las necesidades
expuestas en su momento. No es un equipo de mucha
potencia, no posee la más alta tecnología ni gran
flexibilidad en la elección de sus parámetros de
funcionamiento: sí es un equipo muy práctico y confiable.
También se incorporó detalles que agregan seguridad,
como ser, alarmas sonoras, sensores de inclinación, botón
de apagado de pánico, etc. Los valores de potencia y
pérdidas medidas difieren del cálculo, aunque este
proporciona una aproximación aceptable.
APÉNDICES
A. Mediciones de rendimiento
Debido a que en este diseño las pérdidas permanecen
constantes, el mayor rendimiento se obtiene cuando el
Fig. 3: Diagrama en bloques del Firmware.
AGRADECIMIENTOS
Se agradecen especialmente los aportes del Ing. Ernesto
Ambroggio, y el sincero apoyo del Director de Proyecto
Integrador Ing. Rodrigo Bruni y del Ing. Oscar Vanella,
ambos pertenecientes al LIADE (Laboratorio de
Investigación Aplicada y Desarrollo, FCEFyN, UNC)
De igual manera se agradece al Biólogo Jael Dominino,
profesional que se desempeña en Administración de
Parques Nacionales, Delegación Regional Centro; por la
confianza que depositó en el desarrollo de este proyecto,
poniendo a disposición no solo los medios para el soporte
económico, sino también su invalorable experiencia en esta
materia.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
W R C Beaumont, A A L Taylor, M J Lee and J S Welton,
Guidelines for Electric Fishing Best Practice, United Kingdom,
2002.
Javier Lobón-Cerviá, Dinámica de poblaciones de peces en ríos,
1989.
Norman G. Sharber, John P. Sharber, Coffelt Manufacturing Inc.,
Patent Nº5,311,694, Arizona, USA, Date of patent: May 17, 1994.
K. Billings, Switchmode Power Supply Handbook, Editorial Mac
Graw-Hill, United States of America, 1st Ed, 1989.
Abraham Pressman, Switching Power Supply Design, Editorial Mac
Graw-Hill, 2nd Ed, 1998.
Juan Carlos Floriani, Fuentes Conmutadas, Análisis y Diseño,
Editorial: Universitas, Córdoba, Argentina, 2003.
Marty Brown, Practical Switching Power Supply Design, Academic
Press, 1990.
Patrick Griffith, Designing Switching Voltage Regulator With the
TL494 (Application Note), Texas Instrument, 2005.