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UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

Diseo e implementacin de un sistema demonitoreo remoto de descargas atmosfricas

PRESENTADO POR:

LUIS ERNESTO FAJARDO TORRESPABLO EDGARDO RIVERA PINEDA

PARA OPTAR AL TITULO DE:INGENIERO ELECTRICISTA

CIUDAD UNIVERSITARIA, OCTUBRE DE 2005

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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

Trabajo de Graduacin previo a la opcin al Grado de:

INGENIERO ELECTRICISTA

Ttulo :

Diseo e implementacin de unsistema de monitoreo remoto de

descargas atmosfricas

Presentado por :

LUS ERNESTO FAJARDO TORRES

PABLO EDGARDO RIVERA PINEDA

Trabajo de Graduacin aprobado por:

Docente Director :

Lus Roberto Chvez Paz

San Salvador, Octubre de 2005


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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

RECTORA :

Dra. Maria Isabel Rodrguez

SECRETARIA GENERAL :

Licda. Alicia Margarita Rivas de Recinos

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

DECANO :

Ing. Mario Roberto Nieto Lovo

SECRETARIO :

Ing. Oscar Eduardo Marroqun Hernndez

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

DIRECTOR :

Ing. Lus Roberto Chevez Paz

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Trabajo de Graduacin Aprobado por:

Docente Director:

Ing. Lus Roberto Chevez Paz

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AGRADECIMIENTOS:

A dios todopoderoso por haberme permitido culminar con



mi carrera.

A mi padre Benjamn Fajardo por haberme brindado todosu apoyo econmico y moral para finalizar este triunfoobtenido.

A mi madre Celia Torres de Fajardo por haberme brindadotodo el apoyo durante todos los logros acadmicosobtenidos y guiarme por el buen camino.

A mi familia que siempre estuvo a mi lado en especial ami ta Victoria Torres que siempre me ayudo y alent eneste proceso.

Agradezco tambin a Don Salvador Posada y a Juan Olanopor todo el apoyo brindado durante estos aos.

A todos mis amigos y amigas que tuvieron fe en m y meapoyaron durante este proceso y me alentaron a seguiradelante.

Lus Ernesto Fajardo Torres

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AGRADECIMIENTOS:

A mi Madre Maria Paz Pineda Galvez (Q.D.D.G) a quienadems de agradecerle le dedico este trabajo, por darmetodo el apoyo y por todo su sacrificio. Gracias a ellahoy puedo sentirme satisfecho por haber terminado micarrera

A mi Hermana Sandra Yanira Rivera Pineda por apoyarmeen esos momentos mas difciles y saber que siemprecuento con ella.



A mi Esposa Elsa Elizabeth Menjivar por darme losnimos para continuar en los momentos de debilidad paraseguir con esta carrera.

A mis Hijos Pablo Alberto, Karla Violeta y Ronal Josaelpor haberme entendido por el tiempo que les quite paraterminar mi carrera.

A David Agreda y su esposa, todo lo que hicieron por micuando estaba a media carrera y darme los nimos paraterminarla, y por tenerme siempre es sus oraciones.

Pablo Rivera

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PREFACIO

Los estudio sobre las descargas atmosfricas en El Salvadorson muy pocos conocidos a pesar de que los efectos quederivan de estas tanto a nivel personal como en la industriason cuantiosos. Muchas empresas poseen sistemas deproteccin pero por lo general estos estn basados en datosestimados sobre la actividad elctrica de la zona los cualespueden ser a veces sobre o sub dimensionados con lo quemuchas veces estos sistemas no funciona como es debido.

La decisin de investigar acerca de este fenmenoatmosfrico y proponer un sistema de monitoreo del mismo seda por el hecho del desconocimiento de datos precisos sobrela actividad elctrica en El Salvador. Por la razn antesexpuesta, es que se dio la necesidad de realizar estainvestigacin. Este documento contiene en su primer capitulotoda la informacin pertinente sobre la teora del rayo, elmecanismo de descensos de las descargas, los parmetrosasociados a este as como algunas formas de proteccincontra estos.

En el segundo capitulo se aborda sobre todo el trabajo de



campo realizado en el diseo e implementacin del sistema demonitoreo de descargas propuesto tanto en lo terico como lotcnico.

En el tercer capitulo se trata todo sobre lo relacionado conel sistema de comunicacin utilizado para enlazar lasestaciones de monitoreo con la estacin central.

En el cuarto capitulo se detallan todas las pruebas de camporealizadas tanto en el laboratorio, as como con elespinterometro y las mediciones hechas durante las tormentaselctricas tanto las que se hicieron para caracterizar elrayo as como las hechas con el dispositivo implementadopara determinar el nivel isoceraunico.

En el quinto capitulo se hace una comparacin tanto tcnicacomo econmica entre un sistema comercial de monitoreo dedescargas contra el sistema de monitoreo propuesto en elpresente trabajo presentando las ventajas y desventajas decada uno de ellos.

Al final del documento se incluyen todas las hojas tcnicasde los componentes utilizados, mapas de actividad elctricaen el mundo, costo del dispositivo y el manual de usuario deeste.

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INDICE DE CONTENIDO

CAPITULO IDESCARGAS ATMOSFERICAS (RAYOS)

INTRODUCCION.. 51.1 DEFINICION DE UN RAYO........... 5

1.1.1 TIPOS DERAYOS...... 61.2 COMO SE FORMAN LOS RAYOS...... 81.3 MODELADO DE UN RAYO... 91.4 PARAMETROS DE UN RAYO... 131.5 FORMAS DE MEDIR UN RAYO..... 16

1.5.1 METODO DIRECTO......... 161.5.2 MEDICION INDIRECTA... 17

1.6 EFECTOS CAUSADOS POR LOS RAYOS..... 171.7 DISPOSITIVOS DE PROTECCION CONTRA RAYOS.... 20

1.7.1 SISTEMA DE PROTECCION CONTA EL RAYO.... 201.7.2 QUE ES UN PARARAYO.... 21

1.8 IMPORTANCIA DE PROTEGER LOS DISPOSITIVOSCONTRA RAYOS.... 24

CONCLUSIONES...... 25REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.... 26

CAPITULO II



TRABAJO DE CAMPO

INTODUCCION.... 272.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA....... 272.2 DESCRIPCION DEL SISTEMA A IMPLEMENTAR..... 272.3 ANTENAS.... 292.4 DETECTOR.. 312.5 INTERFAS DE CONTROL YCOMUNICACIN.. 34

2.5.1 CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL..... 342.5.2 MICROPROCESADOR....... 392.5.3 PROGRAMACION DEL PIC 16F874A.... 442.5.4 RELOJ DE TIEMPO REAL(RTC)... 492.5.5 BLOQUE DE INTERFACE DE NIVELES... 56

CONCLUCIONES..... 62REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS... 63

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CAPITULO IIISISTEMA DE COMUNICACION REMOTA CON LA ESTACION

INTRODUCCION.. 643.1 SISTEMA DE COMUNICACION REMOTA CON LAESTACION.. 643.2 CONFIGURACION DE LOS RADIOS.... 663.3 INSTALACION DEL WAVENET.......... 69CONCLUCIONES.. 71REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.... 72

CAPITULO IVPRUEBAS DE CAMPO

INTRODUCCION.. 734.1 DETERMINACION DEL UMBRAL DE DISPARO. 734.2 PRUEBAS CON EL ESPINTEROMETRO....... 744.3 MEDICIONES DURANTE TORMENTA ELECTRICA. 764.4 COMPARACION ENTRE DATOS OBTENIDOS Y

DATOS DE OTOS DISPOSITIVOS...... 81CONCLUCIONES.. 83REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ...... 84

CAPITULO VCOMPARACION ENTRE EL SISTEMA PROPUESTO Y UN SISTEMACOMERCIAL

INTODUCCION ...... 855.1 SISTEMA COMERCIAL DE DETECCION DE

DESCARGAS ATMOSFERICAS.... 855.2 SISTEMA DE DETECCION DE DESCARGAS ATMOSFERICAS



CON EL DETECTOR PROPUESTO..... 885.3 COMPARACION ECONOMICA ENTRE AMBOS SISTEMAS. 90CONCLUSIONES.. 92REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.... 93ANEXOS

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INDICE DE FIGURAS

Nombre de la figura#Pg.

1.1 Tipos de descargas que se producen en una tormenta 5

1.2Diferencia de potencial entre la superficie de latierra y la ionosfera 9

1.3Geometra del canal de un rayo planteado para modelarlomatemticamente 11

1.4 Mapa isoseraunico de El salvador 14

1.5Configuraciones de antenas de medicin directa masusadas en el mundo 16

1.6 Rayos sobre lneas elctricas 181.7 Sistema de proteccin separado del volumen a proteger 211.8 Instalacin de un pararrayos y la zona de cobertura 221.9 Pararayos con conductores areos 23

1.10 Jaula de Faraday como pararrayos 232.1 Diagrama en bloques del sistema 282.2 Detector de campo magntico 292.3 Molde para la bobina 30

2.4 Construccin de la bobina 302.5 Cubierta de proteccin 312.6 Antena circular 312.7 Circuito integrador 322.8 Respuesta en frecuencia del circuito 322.9 Circuito integrador con filtro en la entrada 33

2.10 Vista externa del detector 332.11 Seguidor de voltaje 342.12 Pinout del AD7821 352.13 Conexin del AD7821 para una entrada unipolar 36

2.14Caracterstica de transferencia para una operacinunipolar 37

2.15 Operacin en modo standalone 382.16 Comunicacin entre el AD7821 y el PIC 16F874A 392.17 Pinout del microcontrolador 402.18 Organizacin del mapa de memoria 422.19 diagrama en bloque del PIC 18F874A 432.20 Secuencia de programacin del microcontrolador 462.21 Interface del programa de simulacin 472.22 Pinout del reloj de tiempo real MC146818A 502.23 Conexin del oscilador de cristal 512.24 Mapa de memoria del MC146818A 522.25 Conexiones entre el RTC y el PIC 572.26 Pinout del IC MC1488 582.27 Pinout del IC MC1489 59



2.28 Conexin entre el microcontrolador y el puerto serial 592.29 Circuito completo del Sistema 602.30 Circuito completo del Sistema 61

3.1 Red de comunicacin 653.2 Radio IP utilizado 65

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3.3 Antena direccional 663.4 Vista de la entrada al WaveNet va Browser 673.5 Vista de la pantalla de configuracin del WaveNet 683.6 Configuracin final de uno de los equipos WaveNet 693.7 Instalacin del router sobre un mstil 704.1 Seal de ruido durante la tarde 734.2 Seal de ruido durante la noche 744.3 Espinterometro 744.4 Seal de campo ante una descarga con el Espinterometro 754.5 Seal de campo ante una descarga con el Espinterometro 754.6 Seal de campo ante una descarga con el Espinterometro 764.7 Seal de campo producido por una descarga atmosfrica 764.8 Seal de campo producido por una descarga atmosfrica 774.9 Espectro de frecuencias de la figura 4.8 77

4.10 Seal de campo producido por una descarga atmosfrica 784.11 Espectro de frecuencias de la figura 4.10 784.12 Seal de campo producido por una descarga atmosfrica 794.13 Espectro de frecuencias de la figura 4.12 794.14 Osciloscopio Digital FLUK 196C 80

4.15Datos de Descargas durante los primeros 10 das del mesde octubre 80

4.16 Registro de los Eventos 814.17 Seal de campo magntico 814.18 Seal producida por un rayo Intranube 824.19 Seal de voltaje producido por un rayo Intranube 82

5.1 Detectores IMPACT ESP 865.2 Mtodo de intercepcin de crculos 875.3 Interface del software LTRAX 885.4 Mtodo de intercepcin de seales incidentes 895.5 Iterface de usuario del prototipo 895.6 Comparacin de costos 91



INDICE DE TABLAS

# DETABLA TITULO DE LA TABLA Pg.

2.1 Valores de los parmetros del circuito integrador 322.2 Valores de sensitividad del circuito 322.3 Caractersticas del PIC 16F874A 402.4 Seleccin del banco de la memoria de datos 412.5 Seleccin del tipo de base de tiempo a utilizar 51

2.6Modos de programacin del tiempo, calendario y alarmaen el MC146818A 53

2.7 Resumen de los tiempos de actualizacin del MC146818A 542.8 Registro A ($0A) 54

2.9Tasa de periodo de interrupcin y seleccin de lafrecuencia para SQW 55

2.10 Registro B ($0B) 552.11 Registro C ($0C) 562.12 Registro D ($0D) 56



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INTRODUCCIN

A lo largo del tiempo, en las diferentes estaciones del aoy en diversas latitudes de nuestro planeta, se ha observadoe investigado el comportamiento de eventos elctricos de laatmsfera, con especial inters en los fenmenos dedescargas producidos por perturbaciones en el circuitotierra-ionosfera conocidos como rayos.

La observacin de estos fenmenos se remonta a lasdiferentes culturas a travs de los siglos, en El Salvadorla riqueza mitolgica del fenmeno del rayo en las culturasindgenas precolombinas, est representada ejemplarmente enel libro del Popol Vuh; Un anlisis del significado de lasinvocaciones a los dioses Mayas para la lluvia, muestra elconocimiento que parece ya tenan sobre la diferencia queactualmente se tiene entre rayos de nube a tierra y entrenubes, as como las relaciones no directas que hoy en daconocemos entre nmero de das con rayos y nmero de dascon lluvia. Y as alrededor del mundo todas las culturastenan sus propias interpretaciones sobre los rayos a lolargo del tiempo.

Pero el conocimiento e investigacin cientfica de ellosslo inici hacia 1720, cuando se realiz un experimento enLeyden (Holanda) que se convirti en el punto de partidapara muchas de las interpretaciones del rayo: El Jarrn deLeyden. El Conde de Moschenbroeck tom una botella y lallen de agua. Dentro de la botella puso un conductor(hierro) y en el otro extremo comenz a generar electricidadcon una bola de cristal que puso a rotar (la friccin separacargas). Andreas, ayudante del Conde, tena la botella deagua en la mano, y cuando el conde gener electricidadrotando el cristal, se produjo un "fuego elctrico" hacia lamano de Andreas, es decir, un rayo.

En 1746, El gran aporte de Benjamn Franklin fue proponer yexplicar que un rayo obedece al mismo fenmeno presentado enel Jarrn de Leyden. Franklin pens que al elevar una cometaque interceptara un rayo, ste deba bajar por el hiloconductor de la cometa hasta una llave metlica, y de ella atierra. Si esto suceda as, entonces el fenmeno del rayoera igual al de un fluido elctrico en laboratorio, esdecir, a la descarga producida en un Jarrn de Leyden.

A partir de estas fechas el estudio de las descargasatmosfricas a provocado la construccin de aparatos quemidan y detecten los rayos para tener un mejor conocimientoy entendimiento de estos y poder disear, a partir de esteconocimiento mecanismos de proteccin contra este tipo defenmenos. Se sabe que cada da caen sobre la tierra ocho

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millones de rayos (cien por segundo), los cuales seconcentran principalmente en tres zonas principales:Suramrica Tropical, Centro de frica y Sureste Asitico, enel rea continental de estas tres zonas. En El Salvador lospocos estudios realizados muestran que en algunos lugarescaen hasta 133 rayos. Muchos de estos descargas atmosfricas(rayos) incontrolables e inevitables ocasionan problemas ydaos severos, y algunas veces irreversibles a dispositivoselectrnicos y redes elctricas que prestan servicio deenerga elctrica, por lo que la preocupacin por talesdaos ha conducido a una serie de estudios y observacionesambientales para recabar informacin que facilite la tareade anlisis estadsticos y determine las zonas de mayorafluencia de tormentas, con la finalidad de tomar accionespreventivas en equipos conectados a las redes elctricas yminimizar prdidas cuantiosas.

Este documento trata sobre el estudio de descargasatmosfricas y la construccin de un aparato detector derayos, para esto se ha considerado el diseo de undispositivo capas de captar el campo magntico generado poruna descarga elctrica que cae de la nube a tierra e intranube, en el primer capitulo tenemos la teora referente alos rayos: definiciones, caractersticas parmetros,dispositivos utilizados para medirlos, dispositivos deproteccin, etc.

El segundo capitulo contiene todo lo referente al diseo deldetector de campo magntico producido por un rayo y todoslos detalles de su implementacin y construccin.

En el tercer capitulo muestra todo lo relacionado con elsistema de supervisin remota del sistema.

En el cuarto capitulo se detallan todos los datos de campoobtenidos.

En el quinto capitulo se hace una comparacin entre unsistema comercial y el sistema propuesto en este trabajo.

OBJETIVOS

Objetivo general:

Construir un instrumento detector de campo magntico capas decaptar el campo producido por un rayo que se genera cuandoocurre una descarga atmosfrica desde una nube a la tierra eintra nube, as como una etapa de almacenamiento de eventos yun sistema de control remoto va radio.

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Objetivos especficos:

Investigar sobre los estudios realizados alrededor de losrayos para tener el conocimiento terico necesario en laelaboracin de un sistema de deteccin de descargasatmosfricas que tenga la base terica suficiente y adecuada.



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Proponer un sistema detector de descargas atmosfricas remotobasado en un detector de campo magntico producido por unadescarga atmosfrica para poder as determinar ladistribucin y densidad de rayos que caen en un lugardeterminado, teniendo de esta forma la informacin necesariapara seleccionar el tipo de proteccin para los equipos.

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ALCANCES Y LIMITACIONES

Alcances

La construccin de un sistema de monitoreo de descargasatmosfricas remoto basado en la implementacin de uninstrumento detector as como una unidad de adquisicin dedatos y un sistema de monitoreo remoto va radio as como eldiseo de una interfaz de usuario para la descarga de datos.

LIMITACIONES:

El sistema no puede operar con bateras por lo que sehace necesario que en el lugar donde ser colocadoexista servicio de energa elctrica.



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El sistema de comunicacin utilizado entre la estacinremota y la central necesita tener una buena lneavista para establecer un buen enlace y garantizar lacomunicacin.

El sistema de deteccin solo es capas de suministrardatos para obtener el nivel isoceraunico y no es capasde caracterizar el fenmeno.

El sistema de comunicacin solo opera bajo ambienteWindows.

El rango de cobertura de deteccin de descargasatmosfricas depende del nivel de ruido presente en elsitio donde ser colocado el detector.

El sistema de de3teccion solo es capas de almacenarhasta 30 eventos continuos debido a la capacidad dememoria con que se contaba.

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CAPITULO I

DESCARGAS ATMOSFERICAS (RAYOS)

Introduccin:

En este capitulo se define que es una descarga atmosfrica,los tipos de rayos el proceso de formacin de un rayo ascomo el modelado matemtico de los mismos, tambin se dan aconocer los parmetros y formas de medir un rayo finalmentese describen los efectos causados por estos y algunosdispositivos de proteccin contra este tipo de fenmeno.

1.1 DEFINICION DE UN RAYO.

Se puede definir el rayo como una transferencia de cargaentre la nube y la tierra y entre la tierra y la nube, quetambin se puede dar dentro de una nube, o entre nubes, o dela nube hacia la ionosfera, este fenmeno ltimodescubierto hace menos de diez aos por la NASA. Esto quieredecir que al mismo tiempo que un rayo comienza a bajar, hayotro rayo que comienza a subir desde la nube, el cual es



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conocido como "chorro azul" (Blue Jets.) por su color. Secalcula que estos rayos suben de 80 a 90 kilmetros, con undimetro superior a 10 kilmetros, y cuando estn arriba, sedispersan como una fuente, tomando el color rojo, por lo quese conocen con el nombre de "dispersin roja" (Red Sprites).

Tambin una descarga elctrica atmosfrica o Rayo se definecomo la transferencia de carga positiva o negativa dentro dela nube, de nube a nube, de nube a tierra o de tierra anube, esto se ilustra en la figura 1.1.

Figura 1.1. Tipos de descarga que se producen en una tormenta.

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Hay muchos otros nombres y descripciones que la literatura leha dado a los Rayos en diferentes idiomas. Algunos pueden serilusiones pticas o mitos. Algunos bellos trminos popularesdados en el idioma espaol son: centella, destello, chispa,relmpago, exhalacin.

1.1.1 TIPOS DE RAYOS:

El Rayo tipo nube-tierra: es el ms daino ypeligroso. Aunque no es el ms comn, es uno de los msestudiados y mejor entendidos. La mayora se originan cercadel centro de carga negativo de la nube de tormenta y liberancarga negativa hacia la tierra. En menor proporcin (aunquedepende de variaciones espacio - temporales) se transportacarga positiva hacia la tierra. Las descargas positivasocurren generalmente durante la etapa de disipacin de unatormenta. El Rayo tipo nube - tierra est compuestotpicamente de una secuencia de descargas de Retorno (returnstrokes) individuales, que transfieren carga elctrica de lanube a la tierra. Cada stroke presenta Corrientes de Retornopico dentro de un rango tpico de 1 kA a 400 kA.

El Rayo intra nube: es el tipo ms comn de descarga.Ocurre entre centros de carga opuestos dentro de la mismanube de tormenta. Usualmente el proceso se realiza dentro dela misma nube y al observarlo desde la parte externa de lanube se ven destellos muy difusos. Sin embargo, la descargapuede salir de los lmites de la nube y un canal brillante,similar al de una descarga nube - tierra, puede ser visible avarios kilmetros de distancia.



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El Rayo entre nubes: como su nombre lo indica, ocurreentre centros de carga en dos diferentes nubes con ladescarga puenteando el espacio de aire entre ellas.

El Rayo nube a ionosfera: Antes de 1990, la literaturaespecializada en descargas elctricas atmosfricas reportabaocasionales descargas luminosas que aparecan a grandesalturas en la estratosfera sobre nubes de tormenta. En 1926,el cientfico Boys, crey que tales eventos se presentabanuna sola vez en la vida. Sin embargo, Wilson en 1956,especul que una descarga entre la parte alta de una nube yla ionosfera podra estar acompaada de una descarga atierra. El fenmeno, ahora conocido como espectro (sprite),fue primero accidentalmente documentado con base engrabaciones de vdeo en la noche del 6 de julio de 1989. En1994 una firma norteamericana edit un vdeo con el nombreRed sprites and Blue Jets, con lo cual se popularizaron losnombres y ofrecieron un vocabulario de trminos paradescribir los atributos visuales. Un tercer fenmeno fuedescubierto con grabaciones de vdeo en octubre de 1990, enla parte baja de la ionosfera, directamente sobre una

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tormenta activa. Este consista de un gran resplandorhorizontal de varios cientos de kilmetros. En 1995, la firmanorteamericana Lyons confirm la existencia de ste tipo dedestellos breves a los que llamaron Emissions of Light andVery Low Frequency Perturbations From Electromagnetic PulseSources (ELVES). Debido a que los sprites, jets y ELVES hanestado desde hace miles de aos, su descubrimiento erainevitable. Un evento tpico de estos tres fenmenos secaracteriza por filamentos simples o mltiples que seextienden 30 o 40 kilmetros sobre una tormenta. Los ejemplosde grabaciones fueron encontrados en zonas templadas ytropicales, sobre los ocanos y sobre la parte continental.

Los detalles de porque una descarga ocurre dentro de una nubeo llega a tierra no estn an entendidos. Quizs una descargase propaga hacia la tierra cuando el gradiente de potencialelctrico en las regiones bajas de la nube es ms fuerte queen la direccin de descenso.

Dependiendo de la altura de la nube sobre la tierra y cambiosen la magnitud del campo elctrico entre nube y tierra, ladescarga se realiza dentro de la nube o hace contacto directocon tierra. Si la magnitud del campo elctrico es mayor enlas regiones bajas de la nube, una descarga descendente puedeocurrir de nube a tierra.

Flash: un flash se compone de uno o ms strokes, con unaduracin de 20 a 50 microsegundos y con una separacin tpicaentre cada uno de 20 a 100 milisegundos.

Segn investigaciones a nivel mundial un flash se compone, enpromedio, de 2 a 3 strokes, pero se tienen referencias demximo veintisis. Para la mayora de flashes, las descargassubsecuentes (strokes que ocurren despus del primero)impactarn en la tierra en el mismo punto que el primero,debido a que ellos viajan a travs del canal establecido porla primera descarga. Sin embargo, aproximadamente una terceraparte de todos los flashes pueden contener strokes condiferentes puntos de impacto a tierra, separados por unos



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cuantos cientos de metros hasta varios kilmetros.

Es razonable definir la Localizacin de un Rayo nube - tierracon base en su punto de impacto a tierra (o el punto deimpacto del primer stroke de un flash), pero no es precisa lalocalizacin de un Rayo entre o intra nubes. Un Rayo tpicoentre nubes puede tener una extensin horizontal de 10 a 20Km.

Debido a lo anterior y al hecho que los Rayos nube - tierrason los eventos ms importantes para el hombre y su entorno,los sistemas localizadores de Rayos han trabajado

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histricamente para identificar y eliminar Rayos entre ointra nubes de los eventos reportados por los sistemas.

1.2 COMO SE FORMAN LOS RAYOS

Cuando llueve sobre la superficie terrestre, se produceevaporacin natural (causada por el fenmeno de laconveccin1[1]), llevando hacia arriba gotas de agua, esdecir, H2O. Mientras tanto, a una altura de 2,5 a 3kilmetros donde la temperatura es de 15 a 20 gradoscentgrados bajo cero, se producen partculas de hielo quecaen por gravedad y que chocan con las gotas de agua quesuben por la evaporacin. Estas fricciones y colisionesproducen separacin de cargas elctricas, y se genera uncampo elctrico, es decir, fuerzas que se ejercen entrecargas, hasta que llega el momento en que se dantransferencias de cargas, conocidas como rayos. Dentro delos nubarrones, la turbulencia generada por el aire que subeproduce la colisin entre pequeos cristales de hielo ygotas de agua (llamados "hidrometeoros"). Por causas nocompletamente entendidas, las cargas elctricas positivas seacumulan en las partculas ms pequeas -- esto es, sobrelos hidrometeoros menores de 100 micrmetros -- mientras quelas cargas negativas se localizan en las partculas msgrandes. El viento y la gravedad separan a los hidrometeoroselctricamente cargados y produce una enorme diferencia depotencial elctrico dentro de la tormenta.

Lo que hoy se conoce cientficamente como rayo nube-tierratierra-nube se debe a que cuando el rayo que baja de la nubeest muy cerca de llegar a la tierra (a unos cien metros),se produce un rayo de la tierra hacia la nube, tal comosucede al frotar una peinilla y acercarla a unos pedazos depapel que suben hacia la peinilla antes de que sta llegue aellos. Una persona puede producir rayos hacia arriba siest muy cerca de un rayo que baja. En el encuentro entre elrayo que baja hacia la tierra y el que sube desde la tierrase produce un choque trmico, causado por un fenmeno deplasma, es decir, una alta temperatura (que puede llegar a30.000 grados centgrados) durante la cual se ionizacomplemente el aire.

1[1]



8

conveccin Se refiere a los movimientos verticales de masas. La conveccin causada porfuerzas de fluctuacin, resulta de diferencias de temperatura y densidad dentro de la atmsfera.El aire caliente es menos denso que el aire circundante fro, lo cual hace que el primero se eleve.

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Figura 1.2. Existe una diferencia de potencial entre la superficie de latierra y la ionosfera de 200,000 a 500,000 voltios

En 1920 un fsico ingls de apellido Wilson, con base enuna serie de mediciones, plantea esta hiptesis: "entre lasuperficie de la tierra y la ionosfera (a cien kilmetros dealtura) existe una diferencia de potencial (un voltaje) delorden de 250.000 voltios". La pregunta es: quin generaesos 250.000 voltios? Y la respuesta es: los rayos. Lafigura 1.2 ilustra el circuito global formado entre latierra y la ionosfera.

Hoy se sabe que esa diferencia de potencial no son 250.000voltios sino 249.900 voltios, que varan poco con lalatitud. Wilson plante entonces la teora del CircuitoElctrico Global, es decir, un generador de voltaje,resistencias y corrientes. Pero luego el seor Whaipple, unode los discpulos de Wilson, plante el siguiente colorario:"existe una diferencia de potencial debida a los rayos, perono est uniformemente distribuida alrededor del globoterrqueo, sino que est concentrada en las tres zonas deconveccin profunda tropical, Suramrica Tropical, Centro defrica y Sureste Asitico. La mayor actividad de rayos esten zona continental y no en zona martima".como lo revela ladensidad de rayos sobre el planeta registrado por satlite.(Anexo 1).

1.3 MODELADO DE UN RAYO.

Cuando un rayo comienza, un arco inicia descendiendo conpasos discretos de 50 mts, esto es llamado paso del lder,este se desarrolla creando una trayectoria ionizadadepositando cargas a lo largo del canal. Cuando esta cercanoa la tierra, una gran diferencia de potencial es generadaentre el final del arco y la tierra, tpicamente un arco eslanzado de la tierra para interceptar al lder que desciendejustamente antes de alcanzar la tierra; en ese instante una



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descarga sube por la trayectoria ya ionizada a casi lavelocidad de la luz, generalmente esta descarga tierra anube tiene una carga neta positiva.

El lder esta compuesto de dos partes un canal delgadoaltamente conductivo y un espacio de carga negativoalrededor del canal, el dimetro del canal esaproximadamente de 2mm y una cada de voltaje de 50kv/m.

La corriente mxima en el pico de rayo promedio es del ordende los 20.000 a 30.000 Amperios. En el 5% de los rayos,dicho parmetro supera los 150.000 Amperios y este es elvalor que toman algunos formuladores de normas para susclculos.La longitud total de descenso del lder o el canal esaproximadamente de 5 a 6 km.

El rayo es idealizado como una lnea vertical con un extremofijado a tierra. El modelado del rayo se hace tomando encuenta la descarga de retorno es decir la descarga que subede la tierra a la nube. Asumimos que la descarga se mueve auna fraccin de la velocidad de la luz, delante de ladescarga la corriente es cero y atrs la corriente estacambiando con el tiempo y es diferente a diferentes alturasa lo largo del canal. Para encontrar el campo elctrico ymagntico debido a la variacin tiempo-altura de lacorriente, se considera un diferencial de altura dz como lomuestra la figura 1.3.

Un vector potencial de la corriente variante en el tiempopuede ser encontrado:

zdzzR

czR

tzidA o '

)'(

)'(,'

4

=

Notar que se ha utilizado un retardo de tiempoc

zRt

)'(= ya

que se ha considerado una corriente variante en el tiempodentro de un elemento estacionario de longitud dz.



11

Figura 1.3. Geometra del canal de un rayo planteado para modelarlomatemticamente.

De la ecuacin anterior podemos encontrar el potencialescalar y entonces el campo elctrico y magntico esexpresado en las ecuaciones siguientes:

+ Rdz

CzRtzi

zcR')'(,'

)'(22

dAt

ddE

=

dAdB =

( )( )

tL

dEtrE'

0

,

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( ) ( )=tL

dBtrB'

0

,

Donde tb es el tiempo en el cual el observador ve la fuente yL (t) es la longitud de radiacin de la descarga vista porel observador en el tiempo t. Note que el escalar y elvector potencial son cero antes de tb por lo tanto son iguala cero. Las ecuaciones de campo elctrico y magntico puedenser escritas en coordenadas esfricas de la siguiente forma,despreciando el efecto de tierra:

( )( )

( )( )

( )

( )( )

( )

( )

dtc

zRtzizR

dtc

zRtzizR

trEtL i

c

zRz

tL i

c

zRz

++

+

'

0 ''

3

0

'

0 ''

3

0

','

'1

sin4

1','

'2

cos4

1,

( )( )

( )( )( )

'/',''

1','

'1

22dz

tczRtzi

zRcczR

tzizcR

+

+

( )( )

( )( )

( )( )( )

+

=tL

dzt

czRtzizcRc

zRtzi

zRtrB

'

02

0 '/','

'1'

,''

1sin

4,

Las ecuaciones anteriores pueden ser modificadas asumiendouna antena con una altura fija H, as el limite deintegracin superior es cambiado por H en lugar de L(t),para el campo elctrico tambin se puede simplificar la

ecuacin con t=0 en lugar de ( )czRz /'' + .

En general no es muy factible la aplicacin directa de estasformulas cuando los campos son variantes en el tiempo y sucomplejidad se pone en evidencia cuando las soluciones decampo deben satisfacer simultneamente las cuatro ecuacionesintegrales de Maxwell.

Tambin podemos evaluar las ecuaciones para una distancia Dhorizontal entre el punto de observacin y el canal delrayo. Finalmente tenemos una ecuacin ms sencilla para elcampo elctrico:

( )

= zcD

tiDc

tDEr ,04,

20

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Es posible modelar el rayo haciendo una aproximacinmagnetoesttica, como se ha supuesto una lnea recta decorriente es posible calcular la magnitud del campomagntico B, por lo tanto, una corriente I a lo largo de uneje perpendicular a la superficie de la tierra originada auna altura H y terminando en un nivel de tierra (H=0)



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generara un campo magntico:

22

0

2 DH

HDI

B+

=

Que es la ley circuital de Ampere para campos estticos ydonde D es como se menciono antes, la distancia sobre lasuperficie de la tierra desde el eje donde se origina ladescarga hasta el punto de observacin.

Si asumimos un conductor infinitamente largo podemossimplificar aun ms la ecuacin anterior:

DI

B

2

0=

1.4 PARMETROS DE UN RAYO

Dentro de las caractersticas del rayo, se conocen ms dequince parmetros que poseen una ligada relacin con lascaractersticas espacio-temporales de las descargaselctricas atmosfricas, pero para aplicaciones eningeniera se pueden considerar los siguientes:

Nivel ceruneo(NC): Por muchas dcadas, el parmetrouniversalmente aceptado para caracterizar la actividadelctrica atmosfrica de una regin ha sido el NivelCeruneo, definido como el nmero de das del ao en que porlo menos es escuchado un trueno.

La distribucin espacio-temporal del NC a todo lo largo delterritorio Salvadoreo se presenta en el Mapa de NivelesCeruneos de la figura 1.4. Algunas zonas de El Salvadorpresentan niveles ceruneos de 81 o ms.

Densidad de rayos a tierra: Se define como el nmero de rayos a tierra por kilmetrocuadrado al ao, y es un parmetro complementario al Nivel Ceruneo que permitecuantificar la incidencia de rayos en la zona.

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Figura 1.4 Mapa Isoceraunico de El Salvador.

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Durante dcadas y en diferentes lugares del mundo se hanrealizado investigaciones sobre densidad de rayos a tierra.En El Salvador, poco se conoce de la instalacin de equiposy redes para la medicin de este parmetro.

Polaridad: La Polaridad del Rayo es el tipo de Carga que seesta transfiriendo (Positiva o Negativa), no importa en quedireccin esta carga es transferida. Se ha determinado queun 95% son negativos.

Mximo valor de corriente del rayo: Los dos principalesparmetros de inters de una descarga de retorno (returnstroke), son el valor mximo de la corriente de rayo, otambin llamado corriente pico (current peak), y la mximatasa de asenso de corriente (current maximum rate-of-rise).

El valor mximo de la corriente de rayo, i, dado enkiloamperios, es importante para el clculo de dos valoresen el diseo de proteccin contra rayos: uno, la cada detensin Ue en voltios, cuando el rayo impacta en laResistencia de puesta a tierra al impulso - Rst de lainstalacin; y el otro, la distancia de impacto - rs enmetros, del rayo a la estructura.

La correcta medicin de la corriente pico, para strokesindividuales o flashes, es esencial en el anlisis deingeniera de fallas individuales, as como para elmantenimiento y operacin de los sistemas elctricos yelectrnicos.

La corriente pico es slo indirectamente estimada por unsistema localizador de rayos. Esto es debido a que talessistemas tienen sensores remotos y pueden entonces medirnicamente el campo elctrico o magntico producido por elrayo a grandes distancias.

Mxima tasa de ascenso de la corriente del rayo: Mientras lacorriente pico se puede medir remotamente del campoelectromagntico pico con un aceptable error, ste no es elcaso para la mxima rata de ascenso de la corriente pico(current rate-of-rise).

El valor (di/dt)max se utiliza para el clculo de tensioneselectromagnticas inducidas Umax, expresadas en voltios, que



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se presentan en los lazos metlicos, abiertos o cerrados, encualquier instalacin y son las causantes de daos deequipos electrnicos (televisores, telfonos, equipos decomunicacin, etc.).

Cuadrado de la corriente de impulso del rayo: El valor delcuadrado de la corriente de impulso del rayo, se utilizapara el clculo del calentamiento y los esfuerzos

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electromecnicos al circular la corriente del rayo porconductores metlicos.

1.5 FORMAS DE MEDIR UN RAYO.

Existen dos formas de medir un rayo: de forma directa y deforma indirecta.

1.5.1 Mtodo directo:

Las estaciones de medicin directa deben soportar la magnitud delvalor nominal de los parmetros del rayo, los cuales estn ligadosa su lugar de ubicacin. Esto implica considerar las diferentescondiciones y variables propias de cada estacin, puesto quepodran afectar valores o rangos de referencia de algunosinstrumentos, para lo cual se prev que no se alteren lascaractersticas de funcionamiento cuando el fenmeno estpresente.

Generalmente se colocan antenas de descarga (figura 1.5) ubicadasen torres. Estos sistemas se complementan con tcnicas defotografa y deteccin de campo.

FIGURA 1.5. Configuraciones de antenas de medicin directa, ms usadasen el mundo.

Adems de estas antenas se han utilizado en el pasado otrosinstrumentos como el oscilgrafo, el klidonografo.



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1.5.2 Medicin Indirecta:

Sistemas localizadores de rayos

En general se puede decir que hay dos mtodos ampliamenteutilizados para la localizacin de rayos; el primero estbasado en la tecnologa conocida como Direction Finding(DF), desarrollado por la firma norteamericana LLP Inc. y elsegundo en la tecnologa Time of Arrival (TOA), desarrolladopor la empresa, tambin norteamericana ARSI.

El sistema DF consta de dos partes: el Sensor o antenareceptora (direction finder) y el analizador de posicin. Elsistema puede operar como una estacin DF (TSS) o mltiplesestaciones.

El Sensor consta de una antena de campo magntico de lazosortogonales, una antena de campo elctrico de placas y unmicroprocesador. El ancho de banda del sistema de sensoreses aproximadamente 1-400 kHz., tal que la forma y polaridadde las ondas electromagnticas generadas por el Rayo puedenser registradas con relativa buena precisin..

El sistema Lightning Position and Tracking System (LPATS)fue desarrollado hacia 1980; mide las diferencias de tiempode arribo (Time of Arrival TOA) de una seal de descarga deretorno mediante tres o ms sensores y localiza el sitio deimpacto por medio de la interseccin de las correspondienteshiprbolas sobre una superficie esfrica.

Existen tambin detectores pticos altamente sofisticadoscomo el Detector ptico de Oscilacin Transitoria (OTD porlas siglas en ingls, Optical Transient Detector) y elSensor de Imgenes de Relmpagos (Lightning Imaging Sensor oLIS). "El OTD y el LIS son dos sensores pticos que se hancolocado en rbita baja sobre la Tierra", "El OTD fuepuesto en rbita en 1995, El LIS fue lanzado a bordo delsatlite de la Misin para la Medicin de Lluvia Tropical(Tropical Rainfall Measuring Mission ) en 1997. Basado enestos sensores se obtuvo el mapa del anexo 1 que muestra elnumero de relmpagos por km2 /ao.

1.6 EFECTOS CAUSADOS POR LOS RAYOS

Los efectos de un rayo pueden clasificarse en doscategoras: personales y econmicos.

Efectos personales: ocurren cuando una persona es alcanzadapor un rayo y es afectada fsicamente por el golpe de este.Estos efectos son extremadamente variables e imposible depredecir.



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Efectos econmicos: los efectos econmicos ocasionados porun rayo son extremadamente comunes y dejan millones dedlares en prdidas. Tanto viviendas como la industria seven afectados por los rayos; las distribuidoras elctricasson una de las ms directamente impactada.

Los efectos causados por los rayos a instalaciones, fbricaso estructuras pueden ser clasificados de la siguiente forma:

Efectos directos:

Los efectos que las descargas atmosfricas se pueden palparfcilmente, esto quiere decir que es cuando un rayo choca enun punto determinado se puede observar la destruccin en ellugar de la descarga.

Los daos directos son los que ms comnmente se conocendado que sus manifestaciones son muy visibles y se producenpor el impacto directo y externo del rayo sobre bienes talescomo edificios, tanques o transformadores ubicados a laintemperie.Si el rayo cae directamente sobre una lnea conductora deelectricidad o sobre una lnea telefnica, generar un pulsode sobre tensin por varios kilmetros que atravesar losequipos del usuario y derivar a tierra generando todo tipode averas y destruccin particularmente en equiposelctricos y electrnicos. Figura 1.6.

Figura 1.6. Rayo sobre lneas elctricas generando un pulso de sobretensin.

Algunos de estos efectos se describen a continuacin.

Dao trmico. Cuando un pulso instantneo de corriente esgenerado por un rayo con un valor di, fluye a travs de unconductor de resistencia R, esto genera un calentamiento enel conductor de un valor de R*Si2dt jouls, la cantidad Si2dt

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es llamada accin integral del pulso y es medida en joulspor ohms. La elevacin de la temperatura es proporcional a Ry mltiplo de la accin integral del pulso. Por lo tanto lasinstalaciones que estn expuestas a este tipo de pulsos decorriente deben de ser diseadas para mantener estaelevacin de la temperatura debajo de valores crticos.

Fuerzas mecnicas destructivas: cuando un conductor depequea seccin transversal lleva una corriente de un rayoes forzado a llevar una parte sustancial de la corriente delrayo este se comporta como un fusible explosivo.

Fuerza y presin magntica: una corriente llevando unacorriente sufre en su interior un efecto de prisin, cuandola corriente es suficientemente alta para producir un campomagntico en la superficie de valor elevado, una severadistorsin mecnica puede ocurrir.

Sparking: chispas de voltaje pueden ocurrir cundo undielctrico es averiado, esto se da en trayectoriasresistivas de un material y especialmente en uniones.Tambin sedan chispas trmicas que consisten de fragmentosde material a una gran temperatura ocasionados por las altasconcentraciones de corriente que se dan en el material.

Efectos indirectos:

Los menos conocidos pero no por si menos destructivosllamados efectos indirectos y cuyas manifestaciones estnrelacionadas con daos a equipos elctricos y electrnicospor picos de sobre tensin inducidos. Algunas causas deestos efectos son de naturaleza electromagntica como lassiguientes.

Transitorio debido a la corriente del rayo: esencialmente unpulso de corriente a travs de una instalacin o cercanainyecta un voltaje en los metales. La corriente que fluyedepende de la resistividad del circuito. La forma de ondadel voltaje inducido es muy compleja. Pero usualmente constade un voltaje proporcional a la corriente debida a loresistencia de acoplamiento, un voltaje proporcional alcambio de corriente del rayo di/dt debido al acoplamientodirecto del campo magntico y oscilaciones senoidales dealta frecuencia debida a la resonancia natural de losmateriales.

Pulsos electromagnticos (EMP): Es el resultado de loscampos magnticos transitorios formados por el flujo decorriente que se produce a travs del canal establecidoentre la nube y el potencial cero de la tierra. Lostransitorios de corriente que fluyen por el canal producenun campo magntico relativo. Las corrientes alcanzan cientos

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de miles de amperios por lo que el pulso magntico generadoes significante.

Pulsos electroestticos: los transitorios atmosfricos oelectrosttico son el resultado directo de la variacin del



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campo electrosttico que acompaa a una tormenta elctricadebido a la turbulencia que ella genera. Los cablessuspendidos cerca de la tierra se encuentran inmersos encampos electrostticos y a subes pueden ser cargados a unpotencial relativo que esta en funcin de la altura.

Corrientes de tierra: los transitorios de corrientes detierra son el resultado directo de los procesos deneutralizacin que siguen la finalizacin de un rayo. Elproceso de neutralizacin esta acompaado por movimientos enla carga a lo largo y cerca de la tierra, la localizacindonde la carga fue inducida y el punto donde el impacto delrayo finalizo.

1.7 DISPOSITIVOS DE PROTECCIN CONTRA DESCARGA ATMOSFERICAS.

Dado la naturaleza destructiva de los rayos es necesarioproteger los equipos o cualquier otro sistema expuesto alfenmeno.

Debe tenerse en cuenta, que un sistema de proteccin contradescargas elctricas atmosfricas no puede impedir laformacin de rayos.Adems tal sistema no garantiza en forma absoluta laproteccin de la vida, bienes y estructura, pero si,reducir en forma significativa el riesgo de los daosproducidos por el rayo.

1.7.1 Sistema de Proteccin contra el Rayo:

Es un sistema completo que permite proteger una estructuracontra los efectos del rayo; consta de un sistema externo yde un sistema interno de proteccin contra el rayo.

Sistema Externo: Comprende un dispositivo captor(Terminal areo), las bajadas y un sistema de puesta atierra.

Sistema Interno: Comprende todos los dispositivoscomplementarios al anterior con el objeto de reducirlos efectos electromagnticos (voltajes inducidos) dela corriente de rayo dentro del espacio a proteger.

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Algunas particularidades aumentan la probabilidad de lacada de rayos en un lugar. Por ejemplo, la frecuencia dedescargas en un lugar es proporcional al cuadrado de laaltura sobre el terreno circundante. Esto hace que lasestructuras aisladas sean particularmente vulnerables.Adems, las puntas agudas incrementan tambin laprobabilidad de una descarga.

Los Sistema de Proteccin son separado del volumen aproteger, la figura 1.7 muestra que los captores y lasbajadas estn ubicados de tal manera que el trayecto dela descarga no tiene ningn contacto con el volumen aproteger y evita las descargas laterales.



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Figura 1.7. Sistema de proteccin separado del volumen aproteger

Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistemaque proteja contra su efecto deber ser diseado tomando encuenta los rayos promedio o mayores del rea en cuestin.Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energa puedeser desviada en una forma controlada.

1.7.2 Que es un pararrayos:

El pararrayos no es ms que un dispositivo que, colocado enlo alto de un edificio, dirigen al rayo a travs de un cablehasta la tierra para que no cause desperfectos.

Ya hemos comentado que normalmente las nubes de tormentatienen su base cargada negativamente, mientras que la reginde tierra que se encuentra debajo de ellas, por efecto deinduccin electroesttica, presenta carga positiva.

Las cargas negativas de la nube se repelen entre s y sonatradas por las cargas positivas de la tierra.

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Puesto que el pararrayos est conectado a tierra, suselectrones son repelidos por los de la nube con lo que quedacargado positivamente al igual que la tierra bajo la nube.

Un sistema de proteccin contra descargas, llamado depararrayos, debe:

a) Capturar el rayo en el punto diseado para tal propsito.La terminal area.

b) Conducir la energa de la descarga a tierra, mediante unsistema de cables conductores que transfiere la energa dela descarga mediante trayectoria de baja impedancia; y,c) Disipar la energa en un sistema de terminales(electrodos) en tierra.

Dado que cuando se produce el fenmeno de polarizacin decargas elctricas entre la nube y la tierra la mayorconcentracin de cargas elctricas se genera en los puntosms altos de las estructuras, estos sern los puntos donde



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ms probablemente impactar el rayo.El elemento de captacin del pararrayos por ende se colocaren la parte ms alta de las estructuras.A los efectos del entendimiento prctico un pararrayoscomn, genera aproximadamente un cono de proteccin conradio igual a la altura a que se encuentra su elemento decaptacin en relacin al suelo. Figura 1.8.

Figura 1.8 . Instalacin de un pararrayos y la zona de cobertura

El ngulo variar de acuerdo a la altura de colocacin delelemento captor.La Norma Iram 2184-1 Proteccin contra descargasatmosfricas establece alturas bsicas y ngulos de

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colocacin del dispositivo para dar un circulo de proteccinde los elementos en tierra de acuerdo al nivel de proteccindeseado.Las normas internacionales indican que los edificios quecontengan o procesen lquidos inflamables o gasescombustibles sean protegidos con pararrayos particularmenteen reas con alta actividad elctrica atmosfrica.

Otros ejemplos de dispositivos pararrayos:

Conductor areo:Se sitan uno o ms conductores areos sobre la estructura aproteger y se unen a tierra mediante bajadas y conexinequipotencial del circuito general de tierra.El rea protegida estar bajo los conductores areos.

Figura 1.9. Pararrayos con conductores areos

Jaula de Faraday



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Mltiples puntos de captacin formando una malla con unabajante por punta captadora y conexin a tierraHay que hacer notar que las estructuras modernas conestructuras metlicas, cumplen una funcin similar ala jaulade faraday, por lo que la posibilidad de que un rayo penetrelas instalaciones es extremadamente baja.Unin equipotencial de todas las conexiones.

Figura 1.10. Jaula de faraday como pararrayos.

Pararrayos activosHay otros pararrayos activos denominados con dispositivo decebado, cuya caracterstica principal es el aprovechamientode la energa contenida en el campo elctrico ambiental. Laintensidad de este campo elctrico aumenta muy

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considerablemente con la proximidad de una tormenta dado quese incrementa la actividad elctrica de la atmsfera. Estepararrayos capta y almacena esta energa y cuando ladescarga del rayo es inminente la libera ionizando eldispositivo captador del pararrayos con el objeto deatraerlo. Estos pararrayos tienen como ventaja que su rangode proteccin es mucho mayor que el del pararrayos pasivo.

1.8 IMPORTANCIA DE PROTEGER LOS EQUIPOS CONTRA LOS RAYOS.

Dado que los efectos causados por los rayos y susconsecuencias a nivel econmico son elevados, se hacenecesario proteger los equipos y las estructuras con el finde reducir estos problemas.Tanto los efectos directos como los indirectos requieren deun buen conocimiento para disear un adecuado sistema deproteccin, en consecuencia un estudio minucioso de lascaractersticas de los rayos es demandado.Un buen conocimiento del fenmeno as como lasinterpretaciones del mismo traern como consecuencia un buendiseo de los sistemas de proteccin. Pero antes de esto serequiere construir instrumentos que nos ayuden a medir lascaractersticas como intensidad de campo magntico ycorriente producidos as como la frecuencia con que ocurrenestos fenmenos, con el objetivo de disear protecciones quecumplan con su finalidad.



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CONCLUSIONES DEL CAPITULO I

El fenmeno de las descargas atmosfricas por sunaturaleza es imposible evitarlo pero si es posibledisear medidas de proteccin que minimicen susefectos.

Existen diferentes tipos de rayos entre ellos el msdaino y perjudicial para el hombre es el rayo nube-tierra aunque no el ms comn pero es al que se lededica ms atencin e inters de estudio por losefectos negativos que ocasiona.

El nivel ceruneo es el numero de das al ao que almenos se escucha un rayo en algunos lugares del planetaeste parmetro llega a 300, en El Salvador este valorse ha estimado que llega a un mximo de 133.

Dada la gran cantidad de energa que libera un rayo;los efectos de un rayo son numerosos y variados desdelos incendios y electrocuciones debidos a impactosdirectos hasta los efectos por interferencia einduccin en equipos elctricos y electrnicos as comoen lneas de transmisin.

Ya que un rayo buscara el camino de mas baja impedanciaa tierra, si este baja por un conductor donde existealgn equipo conectado y no tiene protecciones, escasi seguro de este equipo resultara daado

Tener un claro concepto de este fenmeno es importantepara el diseo de una red de proteccin que va ms allde la colocacin de un pararrayos o un dispositivo deproteccin.



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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS CAPITULO I

ESTUDIO DE LOS FENOMENOS ELECTROMAGNETICOS PROVOCADOSPOR LAS DSCARGAS ATMOSFERICAS.Hector Antonio Chicas.

TORIA ELECTROMAGNETICACarl T.A.Johnk

www.indelec.com

www.lightningsafety.com

www.rayos.info/como_actuar.htm



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CAPITULO II

TRABAJO DE CAMPO

INTRODUCCION

En este capitulo se presenta en forma detallada el diseo yla construccin del sistema de monitoreo de descargasatmosfricas propuesto. Iniciamos detallando el sistema pormedio de un diagrama en bloques luego se describe laconstruccin de cada etapa que forma el sistema.En la primera parte se trata la construccin del detector decampo magntico utilizado para este proyecto a continuacinse detalla la parte de adquisicin de datos, luego la etapadel microcontrolador y por ltimo se describe el circuitodel reloj de tiempo real y la interfaz de niveles TTL yRS232.

2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En el presente trabajo se plantea el diseo de un sistema demonitoreo de descargas atmosfricas remoto tanto dedescargas de nube a tierra como entre nubes, para as poderdeterminar el nivel isocerauneo de una zona especifica. Paraesto se plantea la construccin de dos detectores de campomagntico cada uno con su respectiva antena, as como eldiseo de una unidad de adquisicin y almacenamiento dedatos capas de registrar el evento y la implementacin de unsistema de comunicacin va radio con la estacin, quepermita el monitoreo y control remoto de esta.

2.2 DESCRIPCIN DEL SISTEMA A IMPLEMENTAR.

La descripcin de las caractersticas del sistema se hace apartir de un diagrama de bloques el cual muestra suoperacin. Cada etapa del diagrama muestra como estnconstituidos estos bloques, y los componentes y circuitospara implementarlos.En la figura 2.1 se presenta el diagrama de bloques delproyecto.

Figura 2.1 diagrama en bloques del sistema



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Antes de pasar a describir cada etapa del sistema esnecesario aclarar que tanto la etapa de las antenas y eldetector, se basaron, en una propuesta de diseo presentadaen el articulo de la IEEE llamado high sensitivity 50 hz1MHz probe for B and db/dt (ver Anexo 2 ) en este articulose detalla el diseo y construccin de un detector de campomagntico y campo elctrico para ser usado en ambientesindustriales, el cual consta de tres circuitos para ladeteccin de campo magntico y dos para la deteccin decampo elctrico, para nuestros fines solamente se utilizuna de las etapas para deteccin de campo magntico (la quepresentaba mayor sensitividad). Adems se tuvieron que hacerciertos cambios al diseo original para adecuar eldispositivo a la aplicacin deseada.La propuesta del detector presentada en el artculo de laIEEE se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.2. Detector de campo magntico y elctrico

Como se puede observar, el detector esta diseado para serutilizado como punta de prueba en ambientes interiores, yaque tanto la antena como los circuitos estn prcticamentemontados en la misma estructura lo cual no resultabapractico para nuestra aplicacin, ya que la antena debaestar a la intemperie bajo sol, lluvia etc., por lo quedeba separarse de los circuitos detectores, adems se tuvoque cambiar el diseo estructural de forma cuadrada a formacircular as tambin se prescindi del osciloscopio comoforma de medir las seales debido a que no se ajustaba a lasnecesidades del sistema y a su elevado costo, todo esto sedetalla de manera mas especifica a continuacin.

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2.3 Antenas:

Cambiar la forma cuadrada de la bobina a una forma circularfacilitara tanto su construccin como su instalacin, lamodificacin no present mayor problema solo requiri laconversin del rea cuadrada a circular.El segundo inconveniente era que en el diseo propuesto laantena presenta una coraza envolvente de lamina de cobre, lacual es muy practica ya que es muy maleable pero presenta elproblema que es muy susceptible a los embates del medioambiente ya que el cobre se corroe fcilmente; as tambinpresenta poca resistencia mecnica lo cual es un problema ala hora de fijarla a un mstil por lo que se decidi cambiarel cobre por acero inoxidable que presenta mayor resistenciamecnica con lo que se facilito la construccin ya que solose necesitan dos piezas que pueden sujetarse mecnicamentecon abrazaderas para armar la coraza mientras, que con elcobre es necesario soldar las piezas con estao lo cual nole da mucha solides a la estructura as tambin se facilitola instalacin ya que el acero por su dureza puede serfijado a una estructura sin mayor problema, as tambinpresenta mayor durabilidad a la exposicin en exterior.La antena es una bobina que esta contenida dentro de lacoraza de acero, consta de 16 vueltas de alambre de cobreesmaltado colocadas una a la par de la otra para as formaruna bobina plana, para tal fin se utiliz una cinchaplstica como base para la construccin de la bobina como semuestra en la figura 2.3.

Figura 2.3 molde para la bobina.

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Luego se procedi a colocar las espiras una a la par de laotra hasta completar las 16 vueltas como se muestra en lafigura 2.4.



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Figura 2.4 construccin de la bobina.

Luego la bobina fue colocada dentro de un tubo plstico paraprotegerla de cualquier contacto con la coraza de aceroinoxidable ver figura 2.5.

Figura 2.5 cubierta de proteccin.

Luego se procedi a ensamblar las dos cubiertas de aceropara formar la antena figura 2.6.

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Figura 2.6 antena circular.

2.4 Detector:

El detector consta de dos circuitos integradores debido aque la superficie de la bobina de la antena es de 1 m2, deacuerdo a la ley de Faraday, el voltaje inducido en esta esigual a Vout = -dB/dt por lo que para obtener el valor decampo magntico B es necesario integrar, lo cual se realizapor medio de dos circuitos, la configuracin de estos semuestra en la figura 2.7.

Figura 2.7 circuito integrado

La resistencia Rp en paralelo con el capacitor C de la figura2.7 es un resistor de alta impedancia, aadido para corregirresultados incorrectos debidos al offset, y limitar laganancia a un valor menor al de la ganancia de lazo abiertodel amplificador operacional, los valores utilizados semuestran en la tabla 2.1.

CIRCUITO Rp C

1 44M 1nF

Tabla 2.1 valores de los parmetros del circuito integrador

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Con este circuito se obtienen valores de voltaje los cualesson equivalentes a valores de campo magntico en teslas talcomo lo muestra la relacin mostrada en la tabla 2.2.

Var sensitividad RangoB 1V/10T 10nT - 50T

Tabla 2.2 valores de sensitividad del circuito

La respuesta en frecuencia, para los circuitos integradoresen el rango de 50 Hz 1 MHz se muestra en la figura 2.8.



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Figura 2.8 respuesta en frecuencia del circuito

En la figura 2.8 se muestra la caracterstica 1/f, tpicapara un integrador. La diferencia entre la curva terica yla medida, es de al menos de 1% en este rango de frecuencia.Debajo de los 50 Hz, Rp y la ganancia limitada delamplificador operacional hacen una caracterstica plana.Defecto de la aplicacin de amplificadores operacionales,como la impedancia de salida, causa errores arriba de 1 MHz.Esto se compensa al aadir un filtro paso bajo de segundoorden a la entrada del circuito amplificador tal como semuestra en la figura 2.9 el filtro tiene la mismaresistencia serie (10 k) como la RP en la figura 2.8.

Figura 2.9 circuito integrador con filtro a la entrada

Para el circuito integrador se utilizaron operacionales conentrada FET (OPA604) con un valor de slew rate de 25V/s.

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Dado que se debe medir tanto la componente horizontal comola vertical producida por una descarga atmosfrica, seutilizaron dos circuitos para tal fin (con las mismascaractersticas) los cuales estn contenidos dentro de unacarcasa plstica la cual en su interior esta revestida depintura conductiva de plata con lo que se obtiene unblindaje para evitar que campos elctricos externos afectenlos circuitos integradores. En la figura 2.10 se muestra laapariencia externa de la carcasa plstica con sus conectoresde entrada y salida.

Figura 2.10 vista externa del detector

Los conectores son del tipo BNC hembra y se utilizan paraconectar los cables de las antenas.



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Fuente de alimentacin:

Esta es una parte fundamental de la unidad detectora ya quese necesita de una fuente de voltaje lo mas estable posibledebido a que cualquier variacin afecta el offset en lsoperacionales lo cual deriva en reajustes del mismo, sehicieron varias pruebas con fuentes de DC comunes pero estaspresentaban demasiada inestabilidad y en el caso de lasbateras estas presentan buen nivel de voltaje sin rizo perointroducan el problema que con el tiempo y uso, su nivel devoltaje disminuye por lo que hay que ajustar nuevamente elcircuito para un buen desempeo. Por lo anterior se tomo ladecisin de utilizar una fuente de DC de las que utilizanlos routers las cuales presentan una estabilidad ptima. Conlo anterior, se obtuvieron excelentes resultados.

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2.5 Interfaz de control y comunicacin:

Esta etapa esta conformada por dos convertidores analgico-digital, dos microprocesadores, reloj de tiempo real y unainterfaz de comunicacin RS232.

2.5.1 Convertidor analgico-digital:

El sensor de descargas atmosfricas provee sealesanalgicas por lo que es necesario digitalizarlas para podermanejar esta informacin con el PIC, para este propsito seutilizo un convertidor analgico digital de alta velocidaddado la naturaleza de las seales a sensar este dispositivoes el AD7821.

El AD7821 es un convertidor de alta velocidad con tiempos deconversin de 660ns max, y una tasa de muestreo de 1Mhz, elmuestreo ocurre en el flanco de bajada de las entradas WR oRD. Permite digitalizar seales entre 5 V.La figura 2.12 muestra el pinout del AD7821



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Figura 2.11 pinout del AD7821.

El AD7821 utiliza una tcnica de conversin half flash , porlo que son usados dos ADC de 4 bit para archivar unresultado de 8 bits, el ADC mas significativo (MS) convierteel voltaje de entrada analgico y proporciona, los cuatrobit mas significativos, un convertidor digital/analgico(DAC) maneja estos cuatro bits y reconstruye unaaproximacin del voltaje de entrada, la salida del DAC esrestada de la entrada analgica, y la diferencia esconvertida por el ADC menos significativo (LS) paraproporcionar los cuatro bits de datos menos significativos,

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el MS ADC tambin tiene un comparador adicional paradetectar si la entrada analgica ha sobrepasado el rango.

Referencia y entrada del AD7821:

El Vref(-) y el Vref(+) son las referencias de la entrada yen un AD7821 son completamente diferenciales y definen elcero as como el rango de escala completa del ADC. Lacaracterstica de transferencia es definida por el valorentero de la siguiente expresin.

Por lo tanto la entrada analgica puede ser unipolar obipolar. En la figura 2.13 se muestra la configuracin parauna entrada unipolar que fue la se utilizo.

Figura 2.12 conexin del AD7821 para una entrada unipolar.

Para minimizar el ruido se ha conectado un capacitor de 47fen paralelo con un capacitor de 0.1uF entre el voltaje dereferencia y tierra.En la figura 2.14 se muestra la caracterstica detransferencia para un rango de voltaje de 0 a 5V que es el



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rango a manejar.El cdigo de salida es un binario natural con un LSB =(5 256) V = 19.5 mV.

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Figura 2.13 caracterstica de transferencia para una operacin unipolar(0V a +5V).

Comunicacin entre el AD7821 y el PIC 16F874A.El AD7821 tiene dos modos bsicos de interface determinadopor el pin MODE. Cuando este pin es bajo, el convertidoresta en modo RD, con este pin en alto, el AD7821 esta enmodo WR-RD.

El modo RD esta diseado para microprocesadores que puedenmanejar el estado WAIT.En nuestro caso utilizamos el modo WR-RD con el pin MODE=1,el pin 6 es configurado como una entrada WRITE (WR) para elAD7821. Con CS en bajo, la conversin es iniciada con elborde de cada de WR. Dos opciones operacin se dan en elmomento de leer el dato del convertidor.La primera opcin el procesador espera que la lnea INT esteen bajo antes de leer el dato.La otra alternativa puede ser usada para acortar el tiempode conversin, en este mtodo la lnea INT es ignorada.Cuando RD es puesta en nivel bajo el resultado es trasferidodentro del latch y activa las salidas DB0-DB7.El AD7821 tambin puede ser usado en operacin stand-aloneen el modo WR-RD. CS y RD son mantenidos en estado bajo yuna conversin inicia llevando ha estado bajo WR. La salidaes valida 530 ns despus del borde de cada de WR. Eldiagrama de tiempo para este modo se muestra en la figura2.15; para este trabajo se utilizo este modo por lasimplicidad que ofrece.



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Figura 2.14 operacin en modo WR-RD Stand-Alone con CS y RD = 0.

La figura 2.16 muestra la interconexin del AD7821 CON ELPIC 16F874A. en el cual utilizamos el puerto B para recibirlos datos provenientes del convertidor y el pin RC0 delmicrocontrolador maneja la nica seal de control WR delAD7821 que como mencionamos anteriormente trabajara en modoWR-RD Stand-Alone.



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Figura 2.15 comunicacin entre AD7821 y el PIC 16f874A.

Esta configuracin se utiliza para los dos convertidores ylos dos PICs. Un par de estos dispositivos se encargara desensar las descargas atmosfricas entre nubes y el otro parse encargara de sensar las descargas atmosfricas que caen atierra.Debido a que el convertidor analgico digital ADC 7821 se haconfigurado para trabajar de manera unipolar en el rango de0 a 5 voltios se le ha agregado un seguidor de voltajealimentado de la misma manera de modo que si se da unaentrada de voltaje que exceda los 5 voltios el seguidor sesaturara a este nivel impidiendo cualquier dao alconvertidor. A continuacin se muestra en la figura 2.11 eldiagrama de un seguidor de voltaje.

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Figura 2.16 seguidor de voltaje

2.5.2 MICROPROCESADOR.

Para esta etapa se utilizo un PIC 16F874A de MICROCHIP,aunque en el mercado existe una gran diversidad demicrocontroladores se opt por esta opcin debido a que esun dispositivo con mltiples puertos de entrada salida , deocho bits y posee la suficiente memoria, esto entre otrascaractersticas que lo hacen ideal para nuestra aplicacin.Este tipo de microcontrolador utiliza la tecnologa RISC:(Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estosprocesadores el repertorio de instrucciones de mquina esmuy reducido y son simples y generalmente, se ejecutan en unciclo de reloj. La sencillez y rapidez de las instruccionespermiten optimizar el hardware y el software del procesador.En la figura 2.17 se muestra en pinout del PIC 16F874A.

Figura 2.17 pinout del microcontrolador

Este es un microcontrolador de 35 instrucciones de 14 bitsTambin dispone de interrupciones y una Pila de 8 nivelesque permite el anidamiento de subrutinas, adems posee unpuerto de comunicaciones USART que lo usamos paracomunicarnos va RS232 con la PC.

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La tabla siguiente muestra las caractersticas de estedispositivo que es de la misma familia 16FXXX.



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Tabla 2.3. Caractersticas del PIC 16F874A.

La figura 2.19 muestra el diagrama en bloques de este PIC.Como se observa en el diagrama tenemos a disposicin 5puertos de entrada salida, un puerto USART y 192 bytes dememoria de datos entre otras caractersticas.

ORGANIZACION DE LA MEMORIA.

Hay tres bloques de memoria en cada dispositivo 16F874A, Lamemoria de programa, memoria de datos y memoria EEPROM.Posee un contador de programa de 13 bits y estn reservadasla direcciones del vector reset en 0000h y el vector deinterrupcin en 0004h.La figura 2.18 muestra la organizacin de la memoria en estePIC.

MEMORIA DE DATOS.

La memoria de datos esta particionada en varios bancos quecontienen registros de propsito general y registros defunciones especiales. Los bits RP0 Y RP1 en el registroSTATUS son utilizados para seleccionar el banco.La tabla 2.4 muestra la seleccin del banco a travs delregistro STATUS con los bits RP0 y RP1.

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Tabla 2.4 seleccin del banco de la memoria de datos.



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Figura 2.18 organizacin del mapa de memoria y stack en un 16F874A.

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Figura 2.19 diagrama en bloques de PIC 16F874A.

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Los principales recursos especficos que encontramos en elPIC 16F874A son: Temporizadores o Timers. Perro guardin o Watchdog. Proteccin ante fallo de alimentacin o Brownout. Estado de reposo o de bajo consumo. Conversor A/D. Conversor D/A. Comparador analgico. Modulador de anchura de impulsos o PWM. Puertas de E/S digitales. Puertas de comunicacin.

A continuacin se describen los recursos utilizados ennuestro proyecto:

Proteccin ante fallo de alimentacin o Brownout

Se trata de un circuito que resetea al microcontroladorcuando el voltaje de alimentacin (VDD) es inferior a unvoltaje mnimo (brownout). Mientras el voltaje dealimentacin sea inferior al de brownout el dispositivo semantiene reseteado, comenzando a funcionar normalmentecuando sobrepasa dicho valor.

Estado de reposo de bajo consumo

Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el



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microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que seproduzca algn acontecimiento externo que le ponga de nuevoen funcionamiento. Para ahorrar energa, (factor clave enlos aparatos porttiles), los microcontroladores disponen deuna instruccin especial (SLEEP en los PIC), que les pasa alestado de reposo o de bajo consumo, en el cual losrequerimientos de potencia son mnimos. En dicho estado sedetiene el reloj principal y se congelan sus circuitosasociados, quedando sumido en un profundo sueo elmicrocontrolador. Al activarse una interrupcin ocasionadapor el acontecimiento esperado, el microcontrolador sedespierta y reanuda su trabajo.

Puertos de E/S digitales

Todos los microcontroladores destinan algunas de sus patitasa soportar lneas de E/S digitales. Por lo general, estaslneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertas.Las lneas digitales de las Puertas pueden configurarse comoEntrada o como Salida cargando un 1 un 0 en el bitcorrespondiente de un registro destinado a su configuracin.

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Puertos de comunicacin

Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad decomunicarse con otros dispositivos externos, otros buses demicroprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poderadaptarlos con otros elementos bajo otras normas yprotocolos.Algunos modelos disponen de recursos que permitendirectamente esta tarea, entre los que destacan:

UART, adaptador de comunicacin serie asncrona. USART, adaptador de comunicacin serie sncrona y

asncrona Puerta paralela esclava para poder conectarse con los

buses de otros microprocesadores. USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie

para los PC. Bus I 2 C, que es un interfaz serie de dos hilos

desarrollado por Philips.

Para mas informacin relacionada con los registros yrepertorio de instrucciones se recomienda visitar el sitiode MICROCHIP.

2.5.3 PROGRAMACION DEL PIC 16F874A.

Para programar el PIC nos auxiliamos de un programa desimulacin: el PIC Simulator IDE.La secuencia de programacin del pic se muestra en la figura2.20.



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Figura 2.20 secuencia de programacin del microcontrolador 16F874A.

La escritura del cdigo fuente, el ensamblado, la simulaciny la correccin de errores fue hecha en el PIC SimulatorIDE, para la grabacin de programa en el PIC utilizo elprograma ICPROG.Tanto el ICPROG como el PIC Simulator IDE estn disponiblesen Internet.A continuacin se describe de forma general el cdigo fuentedel programa diseado para la aplicacin:Primeramente se muestra la pantalla del software simuladorque permiti realizar pruebas y depurar el programa figura2.21



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Figura 2.21 interfaz del programa de simulacin

Esta aplicacin permite darle seguimiento al estado de losregistros, seleccionar la frecuencia del reloj, y da unestimado del tiempo real de una instruccin, tambien permitehacer una simulacin del puerto de comunicaciones serie.En forma general el programa trabaja de la siguiente manera:Como en todo programa primero se inicializan las variables autilizar, los puertos si sern entradas o salidas, lafrecuencia de trabajo con el puerto USART, etc.En el programa principal se inicializa el reloj RTC con losvalores iniciales de hora y fechas, luego el programa sequeda monitoreando el puerto B que es el puerto asignado alas salidas digitales del convertidor analgico digital,adems el puerto USART queda configurado en modo escucha,esto quiere decir que si el usuario quiere entrar alprograma bastara con abrir el Hyper Terminal y pulsar latecla Enter para acceder al men del programa.(para mayor



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informacin de como usar el Hyper Terminal y como entrar alprograma ver Anexo 7)Cuando el programa esta monitoreando el puerto B y encuentraque la muestra ha sobrepasado el umbral este registra lahora y fecha en que sucedi el evento y espera hasta unnuevo da para empezar a monitorear el puerto y repetir elproceso, esto es as porque el objetivo de el programa esdefinir si en el da hubo o no un rayo, este dato secontabiliza para dar el dato de cuantos das al ao haocurrido al menos un rayo para determinar el nivelisocerauneo de la zona. El listado de programa se puede veren el Anexo 3A continuacin se muestra el men presentado al entrar alprograma el cual describimos:

03:22:11 PM 01/10/05

SET UMBRAL>>0ACTUALIZAR RELOJ>1ACTUALIZAR FECHA>2DESCARGAR DATOS>3LIMPIAR MEMORIA>4SALIR>5>

03:22:11 PM 01/10/05

Lo primero que nos presenta es la hora y fecha, cuando seenergiza por primera vez la fecha y la hora por defecto es01:00:00 AM 01/01/00.

SET UMBRAL>>0

Luego aparece un opcin para definir el umbral deseado, pordefecto este umbral viene configurado en 20 lo que equivalea 20x0.0195=390Mv. es de aclarar que el numero a introducirdebe ser multiplicado por 0.0195mV para obtener el valor enmilivoltios deseado.Este valor va de 0 a 99 ya que solamente se aceptan dosdijitos en el diseo del programa.Es importante mencionar que el ruido que las antenas captandepende de la situacin climtica de la zona por esta raznse agrego esta opcin de modificar el umbral.

ACTUALIZAR RELOJ>1

Esta opcin nos permite actualizar la hora, primero nospedir si ser AM o PM y luego digitamos la hora deseada:RELOJ>> AM=1 PM=2>>2RELOJ>>03:20Como se observa al entrar a modificar la hora nos aparece unRELOJ>> que nos indica que los datos a introducir sonreferentes a la hora.



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ACTUALIZAR FECHA>2

Al seleccionar esta opcin se puede modificar la fechaactual, introduciendo los datos con el siguiente orden: dadel mes, numero de mes y el ao con los ltimos dos dgitos:FECHA>>01/10/05FECHA>> nos indica que lo que se esta modificando es lafecha.

DESCARGAR DATOS>3

Con esta opcin descargamos los datos almacenados en lamemoria del PIC y nos da la informacin del cuantos das conrayo se han contabilizado adems nos da la hora y la fechade el momento en que se registro el rayo.

DATOS>>DIAS CON RAYO=000

NO HAY MAS DATOS.

LIMPIAR MEMORIA>4

Esta opcin nos permite borrar todos los datos almacenadosen memoria y nos pone a cero los das con rayo.Es de mencionar que la memoria de el PIC es de 192 Bytes yse utilizan 7 Bytes para las variables de programa por loque nos quedan 185 Bytes para almacenar datos de los dascon rayos, para guardar la informacin de un da con rayo senecesitan 6 Bytes, 3 para la hora y 3 para la fecha por lotanto podemos almacenar 30 das can rayo, por lo que hay queestar pendientes para borrar la memoria y disponer de lamemoria suficiente y evitar que se pierdan datos sinregistrar.

SALIR>5

La ultima opcin nos permite abandonar el men del programay dejar trabajando al micro con la tarea de sensar el rayo,es muy importante enfatizar que siempre hay que salirnos delmen para que el micro se quede trabajando en la tarea desensar el rayo.

El programa esta diseado de tal forma que solamente seaceptan caracteres numricos es decir del 0 al 9. Tambin elprograma esta diseado para no introducir datos errneos,por ejemplo no nos permite introducir una hora mayor a 12,tampoco nos permitira configurar un da mayor a 31, de talmanera que no es posible introducir datos que no estn deacuerdo al parmetro que se este configurando.

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2.5.4 RELOJ DE TIEMPO REAL (RTC).

Para presentar la hora y fecha del momento en que se produjola descarga atmosfrica se diseo una etapa que generara unreloj con una gran exactitud y precisin para ello seutilizo un circuito integrado RTC. Este circuito integradoes el MC146818A de MOTOROLA. El pinout de este circuito semuestra el la figura 2.22

Figura 2.22: pinout para el MC146818A, reloj de tiempo real.

El MC146818A es un dispositivo perifrico el cual puede serusado con microprocesadores, microcomputadoras y grandescomputadoras. Este elemento tiene un completo reloj (da yhora con alarma, adems contiene 50 bytes de memoria dondese encuentran incluidos los registros de control.Las caractersticas elctricas se pueden ver en el Anexo 4.

Para el funcionamiento del reloj se utiliza una base detiempo ya sea generada externamente o con un oscilador decristal. En este caso se utilizo un oscilador de cristal de32.788 khz pero tambin puede trabajar con cristales de1.048567 MHz y de 4.194304 MHz, la seleccin de lafrecuencia del cristal con la que se trabajara se hace atravs de de uno de los registros internos del chip que masadelante se describe.La conexin de cristal se muestra en la figura 2.23

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Figura 2.23 .conexin del oscilador de cristal

La base de tiempo es seleccionada por medio de los bits DV0,DV1 Y DV2 en el registro A como se ve en la tabla 2.5

Tabla 2.5 seleccin del tipo de base de tiempo a utilizar

El MC146818A puede trabajar en cascada para ello utiliza elping CS para habilitar el chip a utilizar.El bus de direcciones y datos bidireccional multiplexado.Los pins AD0- AD7 son pines bidireccionales y sonutilizados para datos y direcciones por el bus multiplexado.El bus multiplexado atrapa los pines presentes durante elprimer ciclo del bus y los toma como una direccin y usaestos mismos pines durante el segundo ciclo del bus paradatos. La direccin necesita estar presente en estos pinesjusto antes de que el pin AS se ponga en nivel alto para quesea atrapada en el latch de direcciones del MC146818A. Luegoel dato a escribir necesita estar presente y estable antesde que se de el pulso de DS o WR. En un ciclo de lectura, elMC146818 pone los ocho bits de datos despus que se haatrapado la direccin, cuando se da el pulso DS o WR.

Mapa de direcciones del MC146818A

La figura 2.24 muestra el mapa de direcciones de delMC146818A. La memoria consiste de 50 bytes, 10 bytes de RAMque contienen normalmente los datos de tiempo, calendario y

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alarma y cuatro bytes de control y estatus, los restantesbytes son de propsito general y disponible para el usuario.



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Figura 2.24 mapa de memoria de MC146818A.

Localizaciones de tiempo, calendario y alarmas.

El programa en el PIC obtiene la informacin del tiempo ycalendario haciendo una lectura de las apropiadaslocalizaciones, el micro tambin puede inicializar eltiempo, calendario y alarma escribiendo en estas posiciones,el contenido de esto datos se pueden programar para quecontengan cdigo binario o BCD, nosotros lo hemos programadocomo dato binario.Antes de inicializar estos registros internos, el bit SET enel registro B debe ser puesto en 1 para prevenir que eltiempo y el calendario sean actualizados.El programa en el PIC inicializa el tiempo y el relojseleccionando el tipo de dato ya sea binario o BCDmanipulando el bit modo de dato DM en el registro B, luegoel bit SET puede se limpiado para permitir actualizaciones.El bit 24-12 en el registro B establece la presentacin dela hora ya sea de 1 a 12 horas o de 0 a 23 horas, para elformato a 12 horas el bit de mayor orden representa AM o PM,PM si es un 1.Cada segundo estas 10 localizaciones son actualizadas y eschequeado el estado de las alarmas, si uno de estos datos esledo cuando una actualizacin esta el progreso el dato serindefinido. La tabla 2.6 muestra un resumen de los modos deprogramacin del tiempo, calendario y alarma.

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Tabla 2.6 modos de programacin del tiempo, calendario y alarma en elMC146818A

Ciclo de actualizacin.



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El MC146818A ejecuta un ciclo de actualizacin un vez porsegundo siempre y cuando el bit SET en el registro B este en0, si el bit SET esta en 1 se permite al programadorinicializar el tiempo y el calendario y evita nuevasactualizaciones ocurran.La primera funcin del ciclo de actualizacin es incrementarel segundo byte, chequea si hay overflow, incrementa el bytese los minutos cuando es apropiado y as hasta llegar a losaos, el ciclo de actualizacin tambin compara cada byte dealarma con el correspondiente tiempo.Uno de los mtodo

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