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ESP_NTP_Weather (v1.14) & Timestamp UNIX

Actualización del firmware de la miniestación meteorológica, añadiendo la previsión del tiempo y salida/puesta del sol. El firmware puede compilarse tanto para ESP8266 como para ESP32 utilizando el IDE de Arduino. Incluye autodetección de librerías y configuración automática según el microcontrolador. Explicación del tiempo UNIX, Epoch y timestamp. Funcionamiento del protocolo NTP y problema del año 2038 (Y2038).

Estación Meteorológica NTP con ESP: reloj sincronizado por NTP y estado del tiempo local

Origen de los servidores horarios y el tiempo UNIX

En los sistemas informáticos y de telecomunicaciones, mantener la coherencia temporal entre dispositivos distribuidos geográficamente es esencial. Desde los años 60, con la expansión de redes y sistemas electrónicos interconectados, surgió la necesidad de una referencia temporal común y precisa.

Para resolver este problema se estableció el Tiempo Universal Coordinado (UTC) y se creó el concepto de epoch UNIX, una referencia absoluta desde la cual se mide el tiempo en segundos.

El epoch UNIX comienza el 1 de enero de 1970 a las 00:00:00 UTC. Desde ese momento, el tiempo se mide como el número de segundos transcurridos, conocido como timestamp UNIX.

Por ejemplo:

1700000000 (timestamp UNIX) → 14/11/2023 06:13:20 UTC

Este formato simplifica el cálculo de diferencias horarias, conversiones y sincronizaciones entre sistemas. Es utilizado por la mayoría de los sistemas operativos modernos, bases de datos y servidores.

El NTP (Network Time Protocol) fue desarrollado en 1985 por David Lennox Mills. Es un protocolo que permite sincronizar los relojes de los dispositivos conectados a Internet con una precisión de milisegundos, consultando servidores jerárquicos (llamados stratum). Los servidores NTP de alto nivel (stratum 1) están directamente conectados a relojes atómicos o señales GPS.

Un esquema simplificado del funcionamiento de NTP sería:

Los microcontroladores (ESP32, ESP8266) utilizan esta infraestructura para sincronizar su hora local mediante bibliotecas que interpretan y corrigen el timestamp UNIX recibido.

La conversión entre UTC y hora local depende del desplazamiento horario y de la aplicación de horario de verano. El desplazamiento se expresa en segundos (por ejemplo, +3600 segundos para UTC+1).

localTime = utcTime + timezoneShift;

Problema del año 2038 (Y2038)

El problema del año 2038 (Y2038) es un fallo de desbordamiento de la representación de tiempo en sistemas que almacenan la marca temporal (timestamp) como un entero con signo de 32 bits que cuenta los segundos desde el 1 de enero de 1970 00:00:00 UTC (tiempo Unix). Este entero alcanzará su valor máximo el 19 de enero de 2038 a las 03:14:07 UTC. Un segundo después, el valor se desbordará y provocará comportamientos erróneos en sistemas que no gestionen correctamente el desbordamiento.

Causa del problema

El tipo de dato ‘time_t’ se utiliza ampliamente en sistemas Unix y en lenguajes como C y C++ para representar tiempos. En arquitecturas de 32 bits, ‘time_t’ se implementa como un entero con signo de 32 bits, cuyo rango es de -2.147.483.648 a 2.147.483.647. Este último valor corresponde exactamente al 19 de enero de 2038 a las 03:14:07 UTC. Al sumarse un segundo más, el valor se desborda y se convierte en negativo, lo que produce fechas incorrectas (por ejemplo, en 1901) o fallos del sistema.

Escenarios de fallo típicos

  1. Logging: marcas de tiempo incorrectas en los registros.
  2. Expiración de credenciales o tokens errónea.
  3. Jobs programados que fallan o se ejecutan en el pasado.
  4. Bases de datos con índices temporales incorrectos.
  5. Dispositivos embebidos en bucles de reinicio por errores de tiempo.

ESP_NTP_Weather (v1.14)

En esta actualización se ha priorizado el mantener la compatibilidad con el ES8266, teniendo que realizar algunos procesos mucho más elaborados de los que se requieren con el ESP32. Aunque el ESP32 puede manejar JSON completos con facilidad, el objetivo del proyecto era mantener compatibilidad total con ESP8266.

El ESP8266 tiene una memoria RAM reducida (≈40 KB disponibles), lo que impedía almacenar la respuesta JSON completa del forecast, que supera fácilmente los 15–25 KB.

Problemas detectados:

  • Fragmentación del buffer al intentar usar ArduinoJson.
  • Reinicios por Watchdog al manipular cadenas grandes.
  • Pérdida de datos cuando el parsing se hacía de forma secuencial.

Solución:

La solución que adopté al final fue realizar la lectura por streaming, procesando el JSON “en bruto” mediante búsqueda de fragmentos relevantes con indexOf() y extracción manual. Con este método se redujo en gran medida el uso de memoria, pero a cambio este método requiere una lógica mucho más precisa y sensible a errores. Utilicé un sistema de ventanas dinámicas, relocalizando la búsqueda y “recortando” el buffer cuando superaba cierto tamaño, manteniendo solo la región útil y sincronizando la búsqueda, usando el campo dt_txt como “ancla”.

Utilizando ‘OpenWeatherMap’


Descargar el firmware

Puedes descargar de forma gratuita el firmware, accediendo al siguiente enlace: ESP_WeatherClock_NTP

¿Dónde fabricar el PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

Logo: PCBWay

https://pcbway.com/g/r7N1ct

Estación Meteorológica NTP con ESP: reloj sincronizado por NTP y estado del tiempo local

Este proyecto presenta una miniestación meteorológica con reloj NTP integrado, basada en el módulo ESP01 y un display OLED de 0,96 pulgadas. El kit, disponible a bajo coste en plataformas como AliExpress, permite mostrar la hora exacta sincronizada por Internet y datos meteorológicos actualizados en tiempo real.

Sin embargo, el firmware original del kit presenta varias limitaciones: deriva horaria si se está lejos de China, falta de cambio automático de horario estacional, servidor meteorológico fijo en China y una interfaz web muy limitada. Para solucionar estos problemas, decidí desarrollar un nuevo firmware completamente mejorado, compatible con ESP01, ESP8266 y ESP32, capaz de conectarse a cualquier servidor NTP y a servicios meteorológicos globales como OpenWeatherMap.

⚙️ Montaje del kit

El kit consta de tres placas principales:

  1. PCB base, donde se sueldan los componentes SMD (regulador de tensión y 2 condensadores de desacoplo) y tres conectores.

  2. Display OLED, que requiere la soldadura de su conector de 4 pines.

  3. Módulo ESP01, completamente ensamblado y programado.

La alimentación se realiza mediante un conector micro-USB, utilizando únicamente los pines de tensión. El kit incluye además tornillería, caja protectora y el cable USB.

Sincronización NTP y funcionamiento básico

Al encender el dispositivo, este se conecta automáticamente a la red WiFi configurada y sincroniza la hora con un servidor NTP.


El display muestra la fecha y hora local exactas, junto con una previsión meteorológica de tres días.

Limitaciones del firmware original

  • El firmware original no realiza cambio automático entre horario de verano e invierno y solo permite configurar manualmente una zona horaria.
  • Además, depende de servidores chinos, lo que genera retardo al sincronizar la hora y datos meteorológicos inexactos fuera de Asia.
  • Su interfaz web apenas permite ajustar la hora y la ubicación, sin acceso remoto ni visualización de datos.

Nuevo firmware mejorado

El nuevo firmware permite:

  • Sincronización con cualquier servidor NTP.

  • Ajuste automático de horario estacional.

  • Conexión con OpenWeatherMap para obtener datos meteorológicos globales.

  • Acceso completo a la estación desde la red local mediante una interfaz web avanzada.

  • Compatibilidad con pantallas OLED de 0,96” (128×64) y 0,6” (64×48).

De esta forma, el kit se convierte en una estación meteorológica completa, fiable y adaptable a cualquier necesidad.

Configuración del firmware original

El video explica detalladamente cómo configurar el firmware original mediante la conexión WiFi del kit y la web qweather.com, donde deben generarse las credenciales y API keys necesarias.


Este proceso resulta complejo y limitado, motivo por el cual decidí desarrollar el nuevo firmware.

Configuración del nuevo firmware

La nueva versión del firmware simplifica todo el proceso:

  • La estación se conecta automáticamente a la red WiFi configurada.

  • Se accede al servidor web local para seleccionar zona horaria, API key y ciudad.

  • El firmware se sincroniza automáticamente con OpenWeatherMap para mostrar datos de temperatura, humedad, presión, viento y estado del cielo.

Compilación y programación

El firmware puede compilarse tanto para ESP8266 como para ESP32 utilizando el IDE de Arduino.
Incluye autodetección de librerías y configuración automática según el microcontrolador.
Solo es necesario definir la resolución del display en la librería Adafruit SSD1306.h.

Para programar el ESP01, se recomienda emplear su programador USB específico o un adaptador FTDI, asegurando el modo “programación” conectando GPIO0 a GND antes de alimentar el módulo.

✅ Conclusiones

Con este nuevo firmware, el pequeño kit meteorológico se transforma en una estación completa, precisa y personalizable, capaz de funcionar con distintos módulos ESP y pantallas OLED.
El proyecto mantiene un bajo consumo y una gran flexibilidad, ideal para quienes buscan un reloj-estación meteorológica sincronizado por Internet.

Descargar el firmware

Puedes descargar de forma gratuita el firmware, accediendo al siguiente enlace: ESP_WeatherClock_NTP

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Excedente Solar para ACS

En muchas viviendas unifamiliares equipadas con paneles solares fotovoltaicos, el sistema de calefacción y producción de agua caliente sanitaria (ACS) aún depende de una caldera de gasoil. Esta combinación ha sido habitual durante años, pero el contexto energético está cambiando rápidamente, especialmente con la evolución de los precios de la electricidad y del gasóleo, así como de las condiciones de compensación por los excedentes solares vertidos a la red.

Recientemente, algunas comercializadoras han reducido el precio de compensación por dichos excedentes —pasando, por ejemplo en mi caso, de 0,11 €/kWh a tan solo 0,07 €/kWh—, lo cual impacta directamente en la rentabilidad de inyectar energía sobrante a la red. En este nuevo escenario, aprovechar esa energía solar excedente dentro de la propia vivienda cobra mucho más sentido, tanto desde el punto de vista económico como energético.

Una de las formas más eficaces de autoconsumo es utilizar esa electricidad solar para alimentar un termo eléctrico que produzca agua caliente sanitaria. Esta opción no solo permite almacenar energía en forma de calor, sino que además puede reducir notablemente la dependencia del gasoil, cuyos costes por litro se mantienen elevados.

Calentar 100 litros de agua desde 20 °C hasta 55 °C

A continuación os muestro los cálculos comparativos que hice, analizando el coste real de calentar 100 litros de agua, primero con gasoil y luego con electricidad, utilizando los precios que actualmente estoy pagando por el gasoil y la energía eléctrica.

Con estos cálculos podremos evaluar si resulta más conveniente utilizar solo la caldera de gasoil para el ACS o, por el contrario, aprovechar al máximo la energía solar excedente para alimentar un termo eléctrico de 100 litros de agua, precalentando así la entrada de agua fría de la caldera y reducir el consumo de gasoil.

Calor necesario (calorías)

Lo primero es calcular las calorías necesarias, para incrementar los 35ºC que hay entre los 20 y 55º, en un depósito de 100 litros de agua. El resultado es de 3500 kcal.

Q = m⋅c⋅ΔT

  • Q = energía en kilocalorías (kcal)
  • m = masa del agua en kg (100 litros de agua ≈ 100 kg)
  • c = calor específico del agua = 1 kcal/kg°C
  • ΔT = diferencia de temperatura = 55 °C – 20 °C = 35 °C

Q = 100 x 1 x 35 = 3500 kcal

Energía aportada por el Gasoil C

Teniendo en cuenta que el poder calorífico el Gasoil C es de aproximadamente 10.000 kcal por Kg y su densidad es de 0,84, cada litro de Gasoil quemado aportará 8.400 kcal.

El poder calorífico del Gasoil C es aproximadamente:

  • 10 kcal por gramo, o
  • 10.000 kcal por kg
  • Su densidad es de aproximadamente 0,84 kg/l

Cada litro de Gasoil aporta:

10.000 kcal/kg ⋅ 0,84 kg/l  = 8.400 kcal/l

 

 Litros necesarios de Gasoil

Dividimos las 3500 kcal que necesitamos para calentar los 100 litros de agua entre las 8400 kcal por litro de Gasoil, y como resultado obtenemos 0,4179 litros.

Litros de Gasoil = Q/energía por litro = 3500/8400 ≈ 0,4179 litros

Se necesitan aproximadamente 0,42 litros de gasoil C para calentar 100 litros de agua desde 20 °C hasta 55 °C, suponiendo un rendimiento del 100%. En general, el rendimiento de las calderas a Gasoil está entre el 86 y 94 por ciento.

Con un rendimiento del 90%:

0,42/ 0,9 ≈ 0,47 litros

Con un 90% de eficiencia, se necesitarían aproximadamente 0,47 litros de Gasoil C.

  • Precio por litro de Gasoil (con IVA): 1,065 €/litro

Coste Gasoil C = 0,47 × 1,065 = 0,50055 €

 

Energía eléctrica en kWh con un termo eléctrico

Q = 100 x 1 x 35 = 3500 kcal

Para calcular el coste que supondría calentar los 100 litros de agua con un termo eléctrico, convertimos la energía necesaria de kcal a kilovatios-hora (kWh), y nos da 4,07 kWh.

1 kcal = 1,162 × 10−3 kWh

3500 kcal × 0,001162 kWh/kcal ≈ 4,07 kWh

Un termo eléctrico suele tener una eficiencia alta, cercana al 100% (entre 95% y 100%), porque casi toda la electricidad se convierte en calor dentro del agua. Si consideramos, por ejemplo, un 95% de eficiencia:

4,07 / 0,95 ≈ 4,28 kWh

Coste electricidad

Si calculamos el coste que esto supondría, partiendo del precio actual por el que estoy pagando la electricidad, el importe total con IVA sería de 0,71295€

  • Precio base sin IVA: 0,137666 €/kWh
  • Con IVA (21%):

0,137666 × 1,21 = 0,16658 €/kWh

  • Consumo estimado (con 95% de eficiencia): 4,28 kWh

Costo electricidad = 4,28 × 0.16658 = 0,71295 €

Comparativa 

Costo Gasoil: 0,50055 €

Costo Electricidad: 0,71295 €

Calentar 100 litros de agua con electricidad te costaría ~0.71 €, mientras que con gasoil C sería ~0.50 €, una diferencia de ~30% más barato con gasoil C.

Así el gasto eléctrico sería un 30% mayor, en comparación con el gasoil. Por lo que en ningún caso me compensaría sustituir la caldera de gasoil por un termo eléctrico.

Sin embargo, si utilizo el termo eléctrico para precalentar el agua fría que le entra a la caldera, utilizando únicamente la energía excedente que aportan los paneles solares el resultado cambia.

Precio utilizando la energía excedente solar

Calculando el precio que me paga la compañía comercializadora por los kWh, actualmente 7 céntimos por kWh, el costo en electricidad sería de 0,2996€

Con la electricidad a 0,07 €/kWh (IVA incluido) y el gasoil al mismo precio que antes: 1,065 €/litro (IVA incluido)

Costo gasoil = 0,47 × 1,065 = 0,50055 €

Costo electricidad = 4,28 × 0,07 = 0,2996 €

Esto supondría un ahorro de un 40% sobre el gasoil.

Conclusión

Con electricidad a 0,07 €/kWh (IVA incluido), calentar el agua cuesta casi un 40% menos que con gasoil C.

Los datos analizados reflejan con claridad que, en un contexto donde el precio de compensación de los excedentes solares ha bajado y el precio del gasoil se mantiene elevado, instalar un termo eléctrico para la producción de ACS representa una opción más eficiente y económica.

Mientras que calentar 100 litros de agua con gasoil (a 1,065 €/litro) cuesta aproximadamente 0,50 €, el mismo volumen puede calentarse con energía eléctrica a un coste de solo 0,30 € cuando se dispone de electricidad a 0,07 €/kWh (precio típico en instalaciones con autoconsumo y excedentes). Este ahorro directo se suma al beneficio añadido de reducir el consumo de combustibles fósiles, con su impacto ambiental y logístico asociado.

Si calculamos ahora el umbral en el que ambos precios se igualan,  los excedentes de energía solar debería suponer 0,11695 €/kWh. Como este precio ya no se consigue, siempre compensa instalar un termo eléctrico, como apoyo a la caldera de gasoil.

Además, utilizar la electricidad generada en la propia instalación solar para cubrir necesidades térmicas incrementa significativamente el grado de autoconsumo y autosuficiencia energética, aprovechando al máximo los recursos disponibles antes de verter el excedente a la red por un precio reducido.

En resumen, la integración de un termo eléctrico como apoyo o sustituto parcial de la caldera de gasoil para el ACS se consolida como una inversión lógica, sostenible y rentable, especialmente en viviendas con producción fotovoltaica y baja remuneración por excedentes.

Material necesario

Para incorporar un termo eléctrico en la instalación del agua sanitaria, con el único fin de precalentar el agua fría de entrada a una caldera de gasoil y reducir costes, es necesario utilizar un termo eléctrico básico. Es decir, un depósito de almacenamiento de agua con su resistencia calefactora,  controlado mediante un termostato mecánico, y sin electrónica de control.

Esto es muy importante, porque el encendido y apagado del termo eléctrico lo haremos a través de un controlador de tensión de red externo. El controlador de red sólo suministrará tensión eléctrica cuando tengamos una potencia solar excedente, suficiente para conectar el termo sin consumir energía proveniente de la compañía.

Esquema del interruptor de red inteligente

Para controlar el encendido del termo eléctrico, he utilizado el interruptor de red que monté hace unos meses, adaptando el segundo umbral de control de potencia al consumo del termo eléctrico que he instalado.

Energía SOLAR, aprovechando los excedentes

Como el termo eléctrico que he montado es de 1500W, he modificado el segundo umbral de encendido del controlador, para que conecte la alimentación sólo cuando exista una potencia excedente superior a 1700W, en lugar de los 2200W que tenía antes.

Fijación del Termo

El termo eléctrico incluye 2 escarpias de acero con su taco metálico de expansión, pero sólo son válidas para colocarlas en un muro de carga macizo. Como la pared que tengo es un tabique muy fino,  hecho con rasillas de tan solo 4,5 cms de  espesor, he tenido que construir dos soportes de acero a partir de 2 escuadras.

Para repartir toda la carga en una superficie mayor, cada soporte va fijado a la pared con 3 tornillos de acero. Además, los tacos atraviesan la pared y los huecos del ladrillo los he rellenado con un adhesivo bicomponente de Epoxi -Sikadur 31-, es como un taco químico. También he utilizado este adhesivo para pegar los soportes a la pared, fijar los tornillos al soporte y reforzar el otro extremo de la pared, antes de repararla y pintar.

Llenado y Purgado del Termo

Este es el proceso que he seguido para llenar el termo de agua:

  • Con la llave de ByPass abierta y las dos de corte cerradas, conecté el latiguillo de entrada del agua fría con la válvula de alivio del termo.
  • El latiguillo del agua caliente lo conecté con la salida del termo, pero el otro extremo lo dejé apuntando hacia un cubo, para evitar que se derramara el agua por el suelo.

  • Después hay que abrir la llave de corte del agua fría, hasta que se llene el termo. Por el latiguillo de salida del agua caliente del termo se irá purgando todo el aire. Cuando empiece a salir agua por el latiguillo, se cierra la llave de corte del agua fría y se rosca ligeramente el latiguillo en la rosca del tubo de cobre, pero sin apretar.

  • Colocando el cubo debajo del latiguillo del agua caliente, se abren ligeramente las dos llaves de corte, la del agua fría y caliente, para acabar de purgar el aire de los tubos. Cuando empiece a salir agua, ya se puede apretar la rosca del manguito del agua caliente.
  • Y para terminar, se abren por completo las dos llaves de corte, se cierra la llave del ByPass y se comprueba que no haya fugas de agua. Después de esto, ya se puede conectar el termo a la red eléctrica.

¿Dónde fabricar el PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

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Plata Coloidal, PCB y Firmware

Actualización del firmware del generador de Plata Coloidal y diseño de su PCB. En la nueva versión del firmware (v1.3), el generador sigue midiendo la conductividad del agua al principio para calcular el tiempo de la electrolisis, pero cada 5 minutos realiza una nueva medida para corregir de forma automática el tiempo restante, en función del nuevo valor TDS que haya medido. Este reajuste también se puede hacer en modo manual en cualquier momento, mediante el pulsador. Aprovechando que este generador mide la conductividad del agua, ahora incluye una tabla con los valores TDS del agua y puede mostrar su valor en el display.

Generador de Plata Coloidal con Arduino

Para ensamblar los componentes  electrónicos del Generador de Plata Colidal que monté hace unas semanas, utilicé 2 PCBs de tipo universal. Realicé todas las conexiones por debajo, estañando hilos y siguiendo el esquema del montaje.  Como entiendo que esto muy laborioso para gente que no acostumbra a utilizar el soldador, he diseñado un PCB con el fin de facilitar su construcción y mejorar su acabado final. Y de paso, también le he dedicado un poco más de tiempo al firmware para mejorar sus prestaciones.

PCBs del Generador de Plata Coloidal

Nuevo firmware (v1.3)

En la versión anterior (v1.2), el generador realizaba una medida de la conductividad del agua al iniciar el proceso, con el fin de ajustar el tiempo total de la electrolisis en función de las PPM de la Plata Coloidal que queramos obtener.

Esquema del diseño: Generador de Plata Coloidal

Como pudimos comprobar en artículo anterior, la conductividad del agua aumentaba con la temperatura. Además, el valor TDS del agua también iba subiendo durante la electrolisis. Así la conductividad del agua irá subiendo durante la electrolisis, pero al mismo tiempo también irá bajando si hemos calentado el agua al empezar, hasta alcanzar la temperatura ambiente.

Aunque no es tan importante conseguir la medida exacta de las PPM en la Plata Coloidal, es muy sencillo corregir este problema. En la nueva versión del firmware (v1.3), el generador sigue midiendo la conductividad del agua al principio para calcular el tiempo de la electrolisis, pero cada 5 minutos realiza una nueva medida para corregir de forma automática  el tiempo restante, en función del nuevo valor TDS que haya medido. Este reajuste también se puede hacer en modo manual en cualquier momento, mediante el pulsador. Esto sería útil si se interrumpiera el proceso de la electrolisis, con el fin de remover el contenido o limpiar los electrodos, porque en estos casos suele variar ligeramente la conductividad del agua.

Aprovechando que este generador mide la conductividad del agua, he añadido en el firmware una tabla  con los valores TDS para poder mostrarlos en el display. Así no sería necesario comprar un medidor TDS, y podremos comprobar siempre la calidad del agua que vayamos a utilizar. Hay que tener en cuenta que esta medida TDS sólo es válida si se respetan todas las características de este montaje: el tipo de electrodos, separación entre ellos y su circuito limitador de corriente.

El rango de medidas TDS que permite mostrar este generador no es muy amplio, porque su circuito limitador de corriente interfiere en la medida comprimiendo su escala. De todas formas tiene una buena resolución con valores bajos del TDS,  entre 0 y 16ppm.

Ahora también, durante el proceso de la electrolisis, cada 30 segundos el generador mide el valor TDS del agua y lo muestra en la línea superior del display. Esta medida se alterna con el valor PPM actual de la Plata Coloidal.

Fuente de alimentación

Durante el montaje del primer generador me encontré con un problema en la alimentación, porque al conectar el relé que alimenta el circuito Step-Up se producía un pico de consumo, y en algunas ocasiones se bloqueaba o reiniciaba el micro controlador. Este problema se solucionó cuando monté 2 condensadores de 1000uF en la línea de alimentación de 5V. Lo extraño, es que se sigue apreciando una pequeña fluctuación en la iluminación del display cuando se conecta el relé.

Para salir de dudas, antes de elegir la fuente de alimentación a montar en el nuevo PCB, hice algunas medidas de consumo con el osciloscopio.

Medida de consumos con dos fuentes de alimentación conmutadas

Para obtener una gráfica de corriente al alimentar el relé y el circuito Step-Up a la vez, puse una resistencia de 0,8  Ohmios en serie con la alimentación de 5V.

Las puntas del osciloscopio del canal 1 las puse en la salida de la fuente de alimentación que estaba midiendo, con el fin de comprobar el comportamiento de cada fuente, con carga y sin carga. Y las puntas del canal 2 del osciloscopio las puse en paralelo con la resistencia de 0,8 ohmios.

Para obtener el valor de la corriente, sólo hay que dividir la tensión que muestre el osciloscopio entre el valor de la resistencia.

Si observamos las gráficas de corriente:

  • Con la fuente antigua se produce un pico de corriente de 1,67A de muy corta duración, pero suficiente para que la fuente de alimentación pudiese cortar su salida, ya que esta fuente es de 700mA. Después consume 288mA durante 81mS, el tiempo que tarda el módulo Step-Up en cargar sus condensadores y estabilizar la tensión de salida. El consumo en funcionamiento del relé y el módulo Step-Up, alimentados con la fuente de 5V es de 116mA.
  • Con la fuente pequeña, que es la versión moderna y también de 700mA según el fabricante, la gráfica de corriente es muy parecida. El pico de arranque es de 1,1A (también de muy corta duración) baja a 250mA y se mantiene durante 97mS, tiempo muy parecido al de la otra fuente, luego baja la corriente a 118 mA. que sería la corriente de funcionamiento con la fuente cargada.

Si comparamos ahora lo que ha sucedido con la tensión en ambas fuentes al conectar la carga:

  • Con la fuente antigua la tensión cae desde 5,1V hasta 4,49V y con la nueva desde 4,9V hasta 3,7V. Cuando se estabiliza el consumo, la caída de tensión de la fuente antigua es de 50mV, y si lo dividimos por el consumo de 116mA -> Ri =  0,43 Ohm.
  • Con la fuente nueva, la caída de tensión es de 120mV, y si lo dividimos por el consumo de 118mA -> Ri = 1 Ohm.

Lo que también se aprecia, es que la nueva versión de la fuente filtra mucho más las frecuencias transitorias que se montan sobre la tensión continua, pero a cambio su tensión de salida es menos estable.   

Teniendo en cuenta que el transformador de la fuente de alimentación nueva es más pequeño que el de la antigua, no parece muy lógico que ambas fuentes sean de 3,5W.

Test con el nuevo PCB

Durante las pruebas iniciales que hice en este nuevo montaje, se volvió a repetir el mismo problema que tuve en el montaje anterior. Al cerrarse relé, en algunas ocasiones se reiniciaba el ATMega328P. Como lo único que cambia con respecto al montaje anterior es el PCB, lo primero que hice es revisar las vías de alimentación y sus desacoplos.

Red +5V en el PCB

En el diseño de este PCB coloqué los dos condensadores de 1000uF separados en dos zonas, uno a la salida de la fuente de alimentación y el otro en las proximidades del relé, porque son los dos puntos de mayor consumo de todo el circuito.  Así la poca resistencia de la línea de positivo que une ambos condensadores, junto con ellos, forman un filtro PI. A continuación del segundo condensador de 1000uF está la vía que alimenta el display, el transistor de control del relé, el circuito Reset y la alimentación del ATMega328P.

El condensador de desacoplo de 100nF del ATMega328P lo puse al final de la red de +5V del PCB, para suprimir cualquier posible inducción entre el segundo condensador electrolítico y el final de la red de +5V. Lo único que cambia con respecto al montaje anterior, es que los dos condensadores electrolíticos de 1000uF están muy cerca del ATMega328P, y además sus conexiones las hice con hilo y estaño, y su sección es mucho mayor que la vía de este circuito impreso.

Medida VCC en ATmega328P

Aunque ya había hecho las pruebas del comportamiento de la fuente de alimentación, me faltaba por comprobar qué sucede con la tensión que le llega al ATMega328P en el PCB, con los dos condensadores de 1000uF conectados y todo funcionando.

Pico de consumo

Al medir con el osciloscopio me encontré con algo que no esperaba. El pico de consumo tan alto que se produce al alimentar el circuito Step-Up, descarga los condensadores y provoca que la tensión baje hasta 2,93V durante 27,4mS., hasta que se recupera la fuente y se vuelven a cargar los condensadores. Como el umbral de indecisión del microcontrolador está en el 50% de su tensión de alimentación, 2,93V están muy próximos al punto donde actúa el circuito reset del ATMega328P.

En estos casos el problema se debería resolver donde se produce, y se debería sustituir la fuente de alimentación por otra que soportara mejor los picos de consumo. Este es el problema de la fuentes de alimentación conmutadas, que se protegen y provocan cortes a su salida.

Como el pico de caída de tensión cambiaría muy poco aunque se aumentase la capacidad de los condensadores electrolíticos, colocando un condensador de 10uF entre los pines 7 y 8 del ATMega328P, se evita que entre cualquier pico transitorio y se reinicie, porque al estar alimentado con 5V no debería reiniciarse hasta que bajara su tensión a 2,5V.

Piezas 3D

La base de la caja ahora está hecha con una sola pieza, porque la serigrafía inferior apenas se daña con los soportes de impresión 3D, y así se simplifica el montaje.

Con el fin de facilitar la inserción y ajuste de los soportes de los electrodos en la base de la caja, he diseñado otra pieza 3D. Es una guía para alinear correctamente los electrodos, y mantener su inclinación de 5º durante el montaje.  Después también servirá para proteger los electrodos cuando no se use el generador, y no será necesario desmontar siempre los electrodos  después de cada uso.

Pieza guía 3D para los electrodos del generador

El diseño de las piezas 3D que necesitas para fabricar la caja y el soporte de este montaje, las puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente link:

https://www.thingiverse.com/thing:6403044

¿Dónde fabricar el PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

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PCBs del Generador de Plata Coloidal

Los dos PCBs que he utilizado en este montaje, los puedes conseguir a través de los siguientes enlaces:

Colloidal Silver Generator

Adapter for 2×16 LCD

Generador de Plata Coloidal con Arduino

Construcción de un generador de Plata Coloidal con Arduino. El generador está programado para producir 200mL de plata coloidal, con concentraciones a elegir entre 10 y 100 ppm. La plata coloidal está compuesta por nanopartículas de plata de alta pureza, que se mantienen suspendidas en agua purificada. Las nanopartículas de plata miden entre 5 y 100nm, y tienen una carga eléctrica positiva debido al proceso de electrolisis que se utiliza en su producción. La plata coloidal se podría considerar como un antibiótico casero, quizás por su falta de interés comercial de las empresas farmacéuticas.

Generador de Plata Coloidal

Plata Coloidal

El uso de plata en sus diversas formas ha sido frecuente desde la antigüedad, para tratar infecciones y todo tipo de enfermedades. Aunque su popularidad decreció a partir de los años ’40, cuando aparecieron los antibióticos.

La plata coloidal se podría considerar como un antibiótico casero, quizás por su falta de interés comercial de las empresas farmacéuticas. Actualmente la plata coloidal se utiliza y se acepta como segura para uso externo, pero existen serios recelos por parte de la comunidad científica acerca de su seguridad por vía oral.

La comunidad científica siempre aplica el principio de la precaución: No se puede autorizar el uso  de la plata coloidal por vía oral hasta que se demuestre que sus resultados son seguros. Sin embargo, aplicando el conocimiento de nuestros antepasados podríamos considerar que: La plata coloidal por vía oral es segura mientras no se demuestre lo contrario.

El principal problema que tiene la ingesta de la plata coloidal, es que es muy difícil comprobar su calidad y cantidad de plata (ppm) que contiene el producto, y siempre hay que fiarse del vendedor. Actualmente es muy fácil comprar plata coloidal por Internet, porque se ha puesto de moda y hay mucha gente que se dedica a fabricarla. Para comprobar las ‘ppm’ que contiene la plata coloidal no sirve un medidor TDS. Los medidores TDS miden la conductividad del agua para calcular y mostrar el valor de los sólidos disueltos que contiene.

Medidor TDS

La plata coloidal está compuesta por nanopartículas de plata de alta pureza, que se mantienen suspendidas en agua purificada. Las nanopartículas de plata miden entre 5 y 100nm, y tienen una carga eléctrica positiva debido al proceso de electrolisis que se utiliza en su producción. Los iones de plata se mantienen separados entre sí, debido a su repulsión al disponer de la misma polaridad, y su concentración apenas altera la conductividad del agua. Los iones de plata no están disueltos en el agua, permanecen flotando sin entrar en contacto entre ellos.

Iones de Plata Coloidal

Dependiendo de la concentración de plata en el agua, el color de la plata coloidal varía. Empezando por un color amarillento pálido con bajas concentraciones de plata, pasando por el color ámbar hasta el rojo cereza para concentraciones muy altas.

Para estar seguros de que la plata coloidal es de buena calidad, la forma más sencilla es fabricarla uno mismo. Lo más importante es utilizar electrodos de plata de alta pureza y agua de calidad. Normalmente se aconseja utilizar agua bidestilada para fabricar la plata coloidal, pero el proceso de fabricación es muy largo debido a su baja conductividad. Algunos aconsejan mezclar sales con el agua bidestilada para acelerar el proceso de la electrolisis, pero con esto se empeora notablemente la calidad del producto final.

Ósmosis Inversa de 5 Etapas

La mejor opción sería utilizar agua potable de calidad, después de pasar por un filtro de ósmosis inversa. No es aconsejable utilizar directamente el agua del grifo, porque su valor TDS siempre estará por encima de 10ppm. y además podría contener metales. Cuanto mayor sea la concentración de sales en el agua (ppm), más rápida será la producción de plata coloidal, pero podría llegar a ser perjudicial en lugar de beneficiosa. Lo ideal es utilizar agua purificada con un valor TDS < 10ppm.

Calidad del agua & Ósmosis Inversa

Fabricar Plata Coloidal

Cuando se fabrica un generador de Plata Coloidal, hay que tener en cuenta la corriente que circula entre los electrodos,  para ajustar con precisión el tiempo del proceso de la electrolisis. Como la corriente varía en función de la conductividad del agua que utilicemos (TDS), es conveniente que nuestro generador realice todo el proceso con una corriente constante. Como es lógico, el tiempo total de la producción varía en función de los mL de agua que utilicemos y de la concentración de plata que queramos obtener. Si no se hacen estos cálculos y se ajustan en el generador que fabriquemos, no sabremos las partes por millón (ppm) de plata coloidal que contiene el producto final.

Plata Coloidal por electrolisis

Así la calidad de la plata coloidal cambiará en función de la calidad del agua y la pureza de la plata que utilicemos, pero la concentración de plata en el agua (ppm) siempre la podremos controlar.

Calibrar el generador

Para calibrar un generador de plata coloidal, sería necesario disponer de una pequeña báscula de precisión. Yo utilicé una báscula digital electrónica muy barata, se puede conseguir por Internet por menos de 5€. Esta báscula puede pesar hasta 200 gramos con una resolución de 10mg.

El calibrado del generador consiste en pesar los electrodos de plata antes de empezar, y realizar varios procesos utilizando el mismo tiempo a una corriente constante. La precisión del calibrado será mejor si los cálculos se hacen después de fabricar mucha cantidad de Plata Coloidal. Yo lo hice repitiendo 10 veces el mismo proceso con 200mL de agua purificada, circulando una corriente constante de 2mA durante 70 minutos en cada proceso.

Peso de los electrodos de plata

Después de esto, desmonté los electrodos y los volví a pesar. El único electrodo que se consume es el que se conecta al positivo de la fuente de alimentación, el ánodo. Para conocer las partes por millón de Plata Coloidal de los 2 litros de agua, sabiendo la cantidad de plata que se ha utilizado en la electrolisis, sólo hay que hacer un cálculo matemático. En mi caso se perdieron exactamente 100mg de plata en 2 litros de agua (2Kg).

Después podemos asociar el tiempo de cada proceso con una ppm, para que nuestro generador calcule y ajuste los tiempos de forma automática en función de las ppm que queramos obtener en el futuro.

70 minutos / 50 ppm = 1,4 minutos/ppm

Por último, para que el generador pueda ajustar correctamente los tiempos de la electrolisis con agua de bajo valor TDS, sin la necesidad de tener que calentarla para alcanzar los 2mA del ajuste que tomé como referencia, al iniciar el proceso el generador mide la conductividad del agua y reajusta de forma automática el tiempo de la electrolisis. Para que no se eternice el proceso de la producción, al arrancar se comprueba que la corriente de la electrolisis sea >1mA, y la corriente máxima se limita a 2,25 mA. De la limitación de corriente máxima se encarga el regulador 78L05, no se programa por software.

Si el valor de corriente que muestra el display fuese >2,2mA, sería porque la conductividad del agua es muy alta, y sería conveniente medir el valor TDS del agua antes de iniciar el proceso. El circuito limitador de corriente máxima de este generador (78L05) empieza a actuar cuando el TDS del agua supera aproximadamente las 10ppm .

Esquema de montaje

Este generador incluye una fuente alimentación conmutada de 5V, para conectarlo directamente a la red eléctrica. La tensión de 5V alimenta el microcontrolador, el display y también el módulo conversor DC/DC  que permite elevar la tensión hasta 45V. En este caso se ajusta a 35V, con el fin de no superar la tensión máxima de funcionamiento del regulador 78L05, encargado de limitar la corriente máxima de la electrolisis.

Esquema: Generador de Plata Coloidal

El microcontrolador es un ATmega328P, y podría utilizarse un Arduino UNO,  pero así queda todo más reducido. La temporización de la electrolisis la controla el ATmega328P, en función de la conductividad del agua que mide al inicio, y la concentración de plata que elijamos. Con el pulsador se pueden seleccionar concentraciones entre 10 y 100ppm antes de iniciar el proceso.

A través del pin 5 del ATmega328P, D3 en Arduino, se controla el relé que conecta y desconecta la tensión de 35 voltios a los electrodos. Añadí 2 condensadores de 1000uF en la fuente de 5V, para evitar que el microcontrolador se bloquease con los picos de consumo del relé cuando se activa. La tensión de la electrolisis se corta a la entrada del módulo conversor DC-DC (5V), porque no tiene sentido que el módulo permanezca alimentado cuando no se utiliza.

La tensión de 35V se conecta al electrodo de plata que hace de ánodo, este electrodo es el único que pierde plata durante la electrolisis. Así el circuito queda interrumpido hasta que no se llene de agua el envase y circule la corriente a través de ella hacia el segundo electrodo, el cátodo.

Dependiendo de la conductividad del agua -el valor TDS- la corriente será mayor o menor. El circuito se cierra a través del LED indicador de corriente, el regulador 78L05 que limita la corriente de la electrolisis y la resistencia de 1K que hace de ‘shunt’. Esta resistencia de 1k medirá una tensión entre sus extremos cuando circule corriente, y la tensión subirá en función de la corriente que circule entre los electrodos de plata, porque es un circuito serie. En paralelo con la resistencia ‘shunt’ hay un condensador de 100nF, para evitar falsas medidas por inducción.

El pin 28 del ATmega328P, A5 en Arduino, mide la tensión y la traduce en corriente. Para que la medida de corriente sea precisa, es necesario ajustar el valor de una variable en el software antes de programar  el chip.

Display LCD 2×16

El display muestra el estado de funcionamiento del generador y sus valores:

Display del Generador de Plata Coloidal

  • La concentración de plata coloidal actual durante el proceso
  • El valor ppm objetivo
  • La corriente que circula entre los electrodos
  • Y el tiempo restante que falta para finalizar

Si se sacan del agua los electrodos durante el proceso de la electrolisis, por ejemplo para remover el contenido, la temporización se detiene hasta que se vuelvan a introducir los electrodos en el agua. Este umbral de detección se configura en el software. Puse un valor de 50 en la medida del ADC, para fijarlo a una corriente de 250uA aproximadamente. En la parte inferior izquierda del display se muestra de forma gráfica el proceso de la electrolisis, animado cuando se detecta que está funcionando, y fijo si la corriente de la electrolisis no supera el umbral mínimo que hayamos fijado.

Conservación de la Plata Coloidal

La plata coloidal se podría conservar hasta 1 año, siempre que se haga en condiciones óptimas:

  • La plata coloidal debe almacenarse en botellas de cristal tintado y cerradas, evitar las botellas de plástico.
  • Hay que guardarla en un lugar oscuro y alejada de radiaciones electromagnéticas. Lejos de las tomas de enchufe, electrodomésticos, teléfonos móviles, etc.
  • Se almacena a temperatura ambiente, no en la nevera, y no debe entrar en contacto con elementos metálicos, como las cucharillas.
  • Antes de cada uso es conveniente agitar la botella, para mantener su homogeneidad.

Color

El color de la plata coloidal no es el mejor indicador de su concentración, porque varía dependiendo de muchos factores. Principalmente por la intensidad y temperatura de color de la luz que se utilice. También depende de la temperatura del agua durante la electrolisis.

PPM

Las partes por millón (ppm) de la plata coloidal no se puede medir con un medidor TDS. Hice plata coloidal de 50ppm utilizando agua filtrada con un valor TDS de 3ppm. Después del procesado el valor TDS subió a 14ppm, ligeramente superior, pero este incremento del TDS no sirve para saber la concentración de plata que contiene.

Transparencia del agua

Para comparar la transparencia del agua, se puede utilizar un puntero láser. Al atravesar la luz del láser desde un lateral hacia el otro,  desde el frente se verá con mayor intensidad o menor el haz de luz del láser, en función de las partículas y sales disueltas en el agua.

Transparencia del agua con un puntero láser

Piezas 3D

Piezas 3D para el Generador de Plata Coloidal

El diseño de las piezas 3D que necesitas para fabricar la caja y el soporte de este montaje, las puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente link:

https://www.thingiverse.com/thing:6403044

¿Dónde fabricar el PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

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