4.2.7. Circuito interruptor electrónico

4.2.7. Circuito interruptor electrónico
Un interruptor electrónico es un circuito de mando cuya funcionalidad es la
misma que un interruptor clásico, posición ON (cierra el circuito de fuerza y permite el
paso de corriente) y posición OFF (circuito de fuerza abierto), pero donde la transición
ON / OFF no es mecánica, si no que es controlada por software desde un PC,
incrementándose sensiblemente la automatización del sistema.
En el equipo experimental implementado, este circuito de mando se utiliza en
dos partes distintas:
+ En la orden de inicio de descarga eléctrica de la batería de
condensadores. Al cerrar el interruptor electrónico desde software, se cierra el
circuito de control del dispositivo de descarga eléctrica, generándose la orden
de inicio de descarga (señal activa en la puerta de los dos tiristores de salida).
+ En la activación de la electroválvula de la prensa. Al cerrar el interruptor
electrónico desde software, el solenoide de la electroválvula es excitado con
24 V DC (se conectará en un terminal +12 V y en otro -12 V alimentación
simétrica del sistema ± 12V) y ésta pasa a su posición izquierda, con lo cual el
pistón desciende aplicando carga.
El uso del interruptor electrónico en la automatización de la prensa no es
absolutamente necesario. Se ha realizado por dotar al sistema de un mayor grado de
automatización y porque el coste que supone no es excesivo. Sin embargo, el uso de
este circuito de mando en la automatización del inicio de la descarga eléctrica, si que es
totalmente necesario. La orden de inicio de la descarga y el inicio de la lectura de las
cuatro magnitudes fundamentales a registrar (tensión, intensidad, carga y
desplazamiento) debe ser prácticamente simultánea. Así, en el software de control
desarrollado, el evento que activa el interruptor electrónico asociado a la orden de inicio
de descarga eléctrica, activa también el inicio de adquisición de datos del “MEphisto
eléctrico”. Al mismo tiempo el pin D6 de dicho MEphisto, configurado como salida
digital y que está conectado al pin D23 del “MEphisto mecánico”, se pone a 5 V (un 1
lógico). De este modo y dado que el pin D23 es el pin de trigger externo (disparo
externo), el “MEphisto mecánico”, que permanecía a la espera, inicia su adquisición de
datos. Así se consigue una lectura prácticamente simultánea de las cuatro magnitudes a
registrar, que de otro modo no sería posible.
A. Descripción del circuito
En esencia, el circuito interruptor electrónico consta de un transistor en
configuración de emisor común. Dicho transistor trabajará sólo en dos estados: corte o
saturación. El estado lo determinará la tensión que tengamos en la base. Esta tensión es
la señal digital que procede del “MEphisto” y será programada a voluntad desde el
software.
Para el correcto funcionamiento, se comprueba que el pin de salida del
“MEphisto” que ataca el circuito interruptor electrónico, es capaz de suministrar la
intensidad de base requerida cuando el transistor está en saturación. Según las
- 82 -
especificaciones del manual del “MEphisto”, un pin configurado como de salida es
capaz de suministrar una intensidad máxima de 5 mA DC. En un primer cálculo
estimado, considerando que el “MEphisto” pone 5V DC justos y que la resistencia de la
unión base emisor del transistor es cero, tenemos:
R=
V
5V
=
= 1 kΩ
I 5 mA
Experimentalmente, poniendo una resistencia de valor nominal 1k Ω en la base,
se mide que la corriente que suministra el “MEphisto” es 2 mA aproximadamente. La
diferencia viene dada básicamente porque la tensión digital a nivel alto que pone el
“MEphisto” no es 5V, si no 4,6 y de las no idealidades. Sin embargo, esto no es
importante y el funcionamiento es correcto, por lo que se adopta como resistencia de
base una resistencia de 1 k Ω y 0.25 W ( P = I 2 R ≈ (0.002 A) 2 ×1000 Ω ≃ 0.004 W ) .
La salida digital del “MEphisto” que controla el interruptor electrónico, va
conectada al borne libre de la resistencia de base (el otra borne está conectada a la base
del transistor). Cuando la señal digital está a nivel bajo, el transistor entra en corte, y
según el modelo en primera aproximación, la intensidad de colector es 0 A. Si la señal
digital adopta su nivel alto, el transistor entra en saturación y la intensidad de colector
toma cierto valor. Experimentalmente, a temperatura ambiente de laboratorio para el
transistor seleccionado “BC337” (transistor de propósito general NPN) el valor
obtenido de esta intensidad de colector es 30 mA DC.
Fig.92: Transistor “BC337”
Esta intensidad es la que recorre la bobina de un relé. Cuando el transistor está
cortado, la corriente por la bobina es cero y el contacto asociado a dicha bobina
permanece en estado de reposo. Si el transistor entra en saturación la corriente que
atraviesa la bobina crea un campo magnético que hace cambiar de posición al contacto
asociado. Este contacto es el que abre o cierra el circuito donde se usa el interruptor
electrónico.
Se selecciona un relé de 12 V, 10 A y un contacto, para los interruptores
electrónicos a implementar. En concreto, se trata del modelo “40.51” del fabricante
“FINDER”. La justificación de la elección de este relé para el interruptor electrónico
que da la orden de inicio de descarga, es la recomendación del fabricante del dispositivo
de descarga. Y para la electroválvula la elección se ha basado en el cumplimiento de
los requerimientos eléctricos: por la intensidad no existe problema (consumo: 20 mA) y
por la tensión, el relé conecta al cerrar los +12 V de un terminal del solenoide
(solenoide alimentado a 24V DC; el terminal de -12 V siempre conectado y sólo
circulará intensidad cuando se conecte el otro terminal).
Fig.93: Relé FINDER 40.51
- 83 -
Un aspecto importante es la necesidad del uso de un diodo de libre circulación
en paralelo con la bobina del relé. En una bobina, la intensidad no puede variar
bruscamente, de modo que en el caso de que estuviese circulando corriente por ésta y el
transistor entrara en corte, la corriente pasaría instantáneamente de su valor máximo a
cero. Esto provocaría un pico de tensión (función delta de Dirac), que destruiría el
circuito. Para evitar esto, se coloca el diodo de libre circulación, que cuando existe
corriente por el colector no actúa, y que cuando ocurre la transición de saturación a
corte “amortigua” la intensidad de la bobina, haciendo su descenso hasta cero
gradualmente. Se utiliza un diodo común modelo “1N4007”.
Fig.94: Diodo 1N4007
El esquemático del circuito interruptor electrónico es el siguiente:
Fig.95: Esquemático circuito interruptor electrónico
Como medida de seguridad adicional, ante desconexiones inesperadas del
conector de la entrada digital, se decide colocar una resistencia de alto valor (10 k Ω )
entre la base del transistor y tierra (resistencia pull – down o tirada a tierra). Así se evita
dejar a un potencial desconocido la base del transistor en el caso de la citada de
desconexión. Si esta resistencia no se colocase, cabría la posibilidad de que este
potencial desconocido en la base tomara un valor tal, que con el circuito alimentado,
hiciese entrar en una inesperada conducción al transistor y con ello un descontrol del
disparo del circuito interruptor electrónico, pudiéndose descargar la batería de
condensadores o actuar el cilindro neumático sin control alguno. Un principio básico en
electrónica es que todos los nodos de un circuito digital, y el circuito interruptor
electrónico lo es en cierto modo, tienen que estar a un nivel lógico conocido (0V o 5V)
o ser alimentación, para todo instante de funcionamiento.
Fig.96: Esquemático circuito interruptor electrónico con resistencia “pull – down"
- 84 -
B. Placa “relés + alimentación STUD-DI”
Se precisan dos circuitos interruptor electrónico y ambos se van a implementar
en la misma placa de circuito impreso (una sola cara). Además, esta placa va a contener
una adaptación que regula tensión a 5 V. Dicha tensión alimenta al amplificador de
aislamiento “STUD-DI isolation amplifier C1” (ver apartado 4.2.1.). A esta placa, que
va a estar alimentada a +12 V DC (líneas +12 V DC y GND de la fuente de
alimentación del sistema) la vamos a denominar placa “relés + alimentación STUDDI”.
El esquemático de regulación a 5 V es la siguiente:
Fig.97: Esquemático regulación a 5V
Se toma la alimentación de la placa (+12 V) y se regula a 5 V mediante el
regulador LM7805. Antes de éste se colocan dos condensadores en paralelo (C1 = 330
µ F, electrolítico, y C2 = 100 nF, poliéster) y después otros dos (C3 = 330µ F,
electrolítico y C4 = 100 nF, poliéster) también en paralelo. El objetivo de estos
condensadores es filtrar y estabilizar la señal. Con los valores de capacidad
seleccionados se ha comprobado experimentalmente que la regulación es perfecta.
Fig.98: LM7805 en encapsulado TO-220
El diodo D1 que se coloca entre la salida y la entrada del regulador cumple la
misión de absorber posibles intensidades que devuelva el circuito aguas abajo cuando se
apague el sistema. Así evitamos que esta intensidad entre por la salida del regulador y
pueda dañarlo.
El LM7805, que regula de 12 V DC a 5 V DC, disipa en forma de calor la
energía sobrante. Esta evacuación de calor se puede hacer directamente a través de la
carcasa metálica que trae el propio encapsulado o mediante un disipador. La elección se
lleva a cabo determinando si es necesaria o no la utilización de disipador. Para
determinarlo se realizan los siguientes pasos:
- En primer lugar se calcula la potencia que es necesario disipar:
- 85 -
La intensidad que va a circular a través del regulador es:
I regulador = I consumo
STUD − DI
( medido
exp erimentalmente )
≈ 300 mA
Y la caída de tensión en el mismo es:
Vregulador = Vsalida − Ventrada = 12 V − 5 V = 7 V
La potencia a disipar es:
Wregulador = I regulador × Vregulador = 2.1 W
- A continuación se extrae del datasheet del componente los tres parámetros que se
necesitan para realizar el cálculo:
Tabla 6: Absolute maximun ratings LM7805
* TOPR es la temperatura máxima de funcionamiento de la unión. Si se sobrepasa el
componente se daña. Para el LM7805 TOPR = 125º C .
* Rθ JA es la resistencia térmica entre la unión y el ambiente. Se utiliza para determinar
si es necesario o no disipador. Para el LM7805 Rθ JA = 65 º C W .
* Rθ JC es la resistencia térmica entre la unión y la carcasa del componente. Se utiliza
en el caso de que se añada disipador. Para el LM7805 Rθ JC = 5 º C W .
- Cálculo:
La fórmula que se utiliza es:
TJ = TA + Wregulador × RT
TJ : es la temperatura de la unión
TA : es la temperatura ambiente
Wregulador : es la potencia que es necesario disipar
RT : es la resistencia térmica total existente entre la unión y el ambiente
- 86 -
Suponiendo una TA de cálculo desfavorable igual a 50 ºC (estamos imponiendo
cierto margen de seguridad), la temperatura a la que se pondrá la unión del componente
será:
TJ = TA + Wregulador × RT = TA + Wregulador × Rθ JA = 50º C + 2.1W × 65 º C W ≃ 186.5º C
Como TJ > TOPR = 125º C , se determina que este regulador necesita disipador.
Para calcular el disipador el criterio utilizado es simple: que la temperatura de
unión, TJ , sea inferior a la de TOPR = 125º C . Al colocar disipador la resistencia térmica
total, RT , pasa a ser la resistencia térmica entre la unión y la carcasa del LM7805 más la
resistencia térmica del propio disipador ( RT = Rθ JC + Rdisipador = 5 º C W + Rdisipador ) .
TJ = TA + Wregulador × RT = TA + Wregulador × ( Rθ JC + Rdisipador ) < 125 º C
Rdisipador <
125º C − TA
125º C − 50º C
− Rθ JC =
− 5 º C W ≃ 30.7 º C W
2.1W
Wregulador
Se selecciona el disipador modelo 18.205 del fabricante “electroDH”, con las
siguientes características:
-
Material: Aluminio
Peso: 4 gramos
Superficie: 10.08 cm 2
Rdisipador = 17 º C W < 30.7 º C W
Fig.99: Disipador 18.205 del fabricante “electroDH”
Dicho disipador va atornillado a la carcasa metálica del regulador. El conjunto, a
su vez, va atornillado a la placa.
La temperatura a la que finalmente se pondrá la unión será:
TJ = TA + Wregulador × ( Rθ JC + Rdisipador ) = 50 º C + 2.1 W × ( 5 º C W + 17 º C W ) = 96.2 º C < 125 º C
Originalmente, la alimentación del STUD-DI se realizaba mediante conexión
USB (5V), pero se ha decidido hacerla mediante regulador de 5 V por su sencilla
implementación y porque libera un puerto USB del PC. La conexión regulador / STUDDI se realiza mediante cable apantallado de audio.
Siguiendo con la explicación de los elementos presentes en la placa “relés +
alimentación STUD-DI”, hay que destacar que también dispone de bornas de conexión
para:
- 87 -
- Alimentación placa (GND y +12V DC)
- Led’s (diodos emisor de luz) que se encenderán cuando el relé correspondiente actúe.
Estos led’s serán visibles al usuario y permiten conocer el correcto funcionamiento del
circuito interruptor electrónico. La rama que contiene al led más su correspondiente
resistencia se coloca en paralelo con el diodo de libre circulación. Así cuando el
transistor del circuito interruptor electrónico entre en conducción, la tensión a la que
estará sometida el conjunto resistencia + led será VALIMENTACIÓN − Vcolector . Considerando
transistor
que el transistor está en saturación y utilizando el modelo en primera aproximación, la
tensión colector-emisor es cero. Como en nuestro circuito no existe resistencia de
emisor, se cumple entonces que Vcolector ≈ 0 V . Así, la tensión que va a caer en la rama
transistor
resistencia + led es VALIMENTACIÓN = 12 V . Como en un diodo led en directa, que es
cuando emite, la tensión que cae es aproximadamente 2 V, ya se puede dimensionar el
valor óhmico de la resistencia. Considerando una intensidad por la rama de 10 mA
(comprobado experimentalmente que para una caída en directa de 2 V en el led, 10 mA
es la intensidad que lo recorre y que proporciona suficiente iluminación) obtenemos:
R=
VR VALIMENTACION − Vled 12 V − 2 V
≈
≈
≈ 1000 Ω = 1 k Ω
IR
I rama
10 mA
Dado que la potencia que disipa esta resistencia es:
P = I 2 R = (10 × 10−3 A ) × 1000 Ω = 0.1 W
2
Con una resistencia de 0.25 W nos vale.
- Entrada digital, procedente del “MEphisto” (GND y +5V).
- Salida que cierra el contacto que da la orden de inicio de descarga eléctrica a la batería
de condensadores.
- Salida que conecta 24 V (señal diferencial +12V – (-12V) ) al solenoide de la
electroválvula del sistema.
C. Implementación
El diseño del PCB que implementará la placa “relés + alimentación STUD-DI”
se realiza con el programa de diseño electrónico “P-CAD”. Dicho diseño se lleva a cabo
bajo dos consignas principales: una distribución de componentes óptima, de tal manera
que se minimice el tamaño de la placa, y unas conexiones entre componentes correcta,
coherente con el esquemático. El tamaño de pista adecuado es 40 milésimas de pulgada.
La única pista que posee un tamaño mayor (100 milésimas de pulgada) es la que
conecta el relé con el circuito de control del dispositivo de descarga eléctrica. Esto se
hace por seguridad.
EL PCB diseñado, a una sola cara, es el siguiente:
- 88 -
Fig.100: PCB placa “relés + alimentación STUD-DI”
Con objeto de minimizar ruidos, se decide que la línea GND sea un plano de
masa. En este plano se dejan ciertos huecos circulares, donde irán los dos tornillos de
sujeción para el conjunto regulador-disipador y los 4 tornillos elevadores de 1 cm para
sujeción de la propia placa. Estos tornillos están en contacto con la caja metálica donde
se mete toda la electrónica y, a su vez, esta caja está conectada a tierra. Los huecos
circulares evitan cortocircuitar masa con tierra.
El PCB definitivo es:
Fig.101: PCB placa “relés + alimentación STUD-DI” con plano de masa
- 89 -
El fotolito obtenido es (en los anexos se encuentra el mismo pero a tamaño real):
Fig.102: Fotolito placa “relés + alimentación STUD-DI”
La lista de componentes es la siguiente:
•
Relé de 12V DC / 1 contacto × 2 (Modelo “40.51” del fabricante “FINDER”)
•
Transistor bipolar de propósito general NPN × 2 (“BC337”)
•
Diodo de silicio de propósito general (“1N4007”) × 3
•
Regulador “LM7805”
•
Disipador modelo 18.205 del fabricante “electroDH”
( Rdisipador = 17 º C W < 30.7 º C W )
•
Condensadores:
*Electrolítico de 330 µ F (16 V ó superior) × 3
*Poliéster 100 nF × 2
•
Resistencias:
* 1k Ω / 0.25 W × 4
* 10 k Ω / 0.25W × 2
•
Conectores genéricos de 2 pines × 7.
•
Conectores genéricos de 3 pines × 1.
•
Placa fotosensible a simple cara para circuito impreso. Tamaño A5.
•
Tornillos elevaplacas (1cm) × 6
- 90 -
La placa de circuito impreso queda del siguiente modo:
Fig.103: Circuito impreso placa “relés + alimentación STUD-DI”
4.2.8. Fuente de alimentación
El sistema precisa una fuente de alimentación estabilizada y filtrada, para
alimentar a los siguientes dispositivos:
- Amplificador de aislamiento “STUD-DI isolation amplifier C1”. Se alimenta a
través de la placa “relés + alimentación STUD-DI” y su consumo, medido
experimentalmente, es 300 mA.
- Placa acondicionamiento señales eléctricas procedentes sensores mecánicos.
Alimenta al transductor de desplazamiento, a la célula de carga y a los
encapsulados “INA114” y “LM741”. Su consumo es 200 mA:
*Alimentación transductor de desplazamiento: 100 mA
*Alimentación célula de carga: 40 mA
*Alimentación encapsulados “IN114” y “LM741”: 60 mA
- Placa “relés + alimentación STUD-DI”. En el caso de que los dos relés estén
cerrados simultáneamente, el consumo total es (sin contar al STUD-DI):
*consumo de dos transistores “BC337” ∼ 30 mA × 2 ∼ 60 mA .
*consumo de dos diodos led en directa ∼ 15 mA × 2 ∼ 30 mA .
*consumo de la electroválvula I solenoide + I led ≈
- 91 -
0.1 W
+ 15 mA ≈ 20 mA .
24 V
Resulta un consumo total de pico de 110 mA.
Por tanto, la fuente seleccionada tiene que ser capaz de suministrar una
intensidad de 610 mA.
El consumo del amplificador de aislamiento STUD-DI y de la placa de
acondicionamiento de las señales eléctricas procedentes de los sensores mecánicos es
continuo. En la placa “relés + alimentación STUD-DI” el consumo de los transistores
no es continuo, y cuando se da la orden de cierre de un circuito interruptor electrónico
existe un pico de intensidad, de varios segundos de duración, que tiene que poder
proporcionarlo la fuente de alimentación. Para evitar que estos picos afecten demasiado
a las demás alimentaciones se va a seleccionar una fuente sobredimensionada. El
transformador de dicha fuente será capaz de suministrar un 40% más de intensidad, que
la máxima requerida. Es decir, se va a seleccionar una fuente de 1 A.
En cuanto al nivel de tensión DC requerido:
+ Para la placa “acondicionamiento señales eléctricas procedentes sensores mecánicos”
se precisa una alimentación simétrica de ± 12 V DC, totalmente estabilizada.
+ Para la placa “relés + alimentación STUD-DI” se precisa una alimentación de +12 V
DC totalmente estabilizada. El solenoide de la electroválvula del sistema actúa con 24 V
DC. La solución implementada en esta placa para la conexión de dicha electroválvula
es utilizar un borne de 3 conexiones. Dos conexiones están cortocircuitadas y ahí se
conecta un terminal del solenoide y -12 V. En la conexión restante se conecta el otro
terminal del solenoide. El circuito interruptor electrónico coloca +12 V en esta última
conexión al cerrarse y así se consigue alimentar al solenoide con 12 V – (-12 V) = 24 V.
La fuente de alimentación seleccionada es la fuente simétrica de ± 12 V y 1 A,
perfectamente estabilizada, modelo “FE-21” del fabricante “CEBEK”.
Fig.104: Fuente alimentación ± 12 V y 1 A (FE-21)
Este módulo se conecta a la línea eléctrica diseñada en el apartado 4.1.8. a través
de un transformador, 1 A y 230 V AC / 15 V AC, del siguiente modo:
- 92 -
Fig.105: Conexión transformador de la fuente de alimentación
Un esquema simplificado de la fuente es:
Fig.106: Esquema simplificado de la fuente de alimentación FE-21
El transformador reduce la tensión de red (230 V AC 50 Hz) a tensión sinusoidal
con valor de pico 15 × 2 ≃ 21.2 V (15 V AC 50 Hz). Mediante el rectificador de doble
onda (puente de diodos) y los condensadores se obtienen a la salida unos 21 V cuasiconstantes. Para el regulador LM7812 se toma +21 V (21 V – 0 V) y para el regulador
LM7912 se toma -21 V (0 V – 21 V) como tensión de entrada. Estos reguladores, que
precisan disipador, junto a los condensadores de salida fijan la tensión simétrica
estabilizada ± 12 V de nuestra fuente de alimentación. En el esquema falta el diodo que
conecta la salida con la entrada de cada regulador y el led indicador de fuente
conectada.
Según el fabricante, el rizado máximo de la “FE-21” es de 10 mV, la intensidad
constante máxima que suministra es ± 800 mA y la intensidad de pico que puede llegar
a suministrar como máximo es ± 1 A.
Como extra, esta fuente de alimentación estabilizada dispone de protección ante
cortocircuitos. No obstante, el tiempo máximo de actuación es de 30 segundos.
- 93 -
4.3. Integración
Con objeto de integrar todo los componentes e instrumentación del sistema, se
realiza una serie de adaptaciones y modificaciones.
*Prensa neumática
Para disponer de un equipo experimental lo más compacto posible, se decide
eliminar el mueble metálico inferior que traía de serie la prensa neumática del sistema.
Se desatornilla la prensa en sí de dicho mueble y se diseña una bancada de madera para
la misma y un panel para la instrumentación neumática asociada.
Se elimina el pedal móvil que controlaba mecánicamente la válvula de la prensa
y se sustituye por una electroválvula.
*Célula de carga
Para integrar la célula de carga en la prensa, se diseñan y mecanizan dos
paralelepípedos de acero (120 mm x 135 mm x 20 mm): el superior y el inferior.
El paralelepípedo superior va fijado, con dos tornillos M10, a la pletina terminal
del cabezal móvil de la prensa. En el centro geométrico de la cara inferior de dicho
paralelepípedo se mecaniza una rosca M12x1.5 de 13 mm de profundidad, donde la
célula de carga, por el perno roscado de su cara activa, va adaptada.
El perno roscado de la cara no activa se adapta a una rosca M12x1.5 de 13 mm
de profundidad, mecanizada en el centro geométrico del paralelepípedo inferior. Para un
ajuste perfecto se utiliza una contratuerca en este perno roscado. En las esquinas de este
paralelepípedo inferior también se mecanizan cuatro roscas M8, donde van atornillados
cuatro tornillos avellanados M8 que:
-
Fijan mecánicamente el aislante pistón al paralelepípedo
inferior.
-
Son de longitud suficiente ( ∼ 50 mm) para que, junto a su
respectivo perno metálico terminal, puedan actuar como
medida de protección para la célula ante desequilibrios en las
cargas.
-
Uno de ellos se utiliza para fijar mecánicamente el extremo
solidario de la varilla de fibra de carbono, que transmite el
movimiento axial del pistón al transductor de desplazamiento.
Previo la fabricación de los dos paralelepípedos, se proyecta un esquema de la
integración de la célula de carga en la prensa, realizado en tres dimensiones mediante el
programa informático de diseño gráfico “Solid Edge”.
- 94 -
Un par de vistas isométricas, obtenidas de dicho esquema en tres dimensiones,
son las siguientes:
a
b
Fig.107: (a) Vista isométrica integración célula 1. (b) Vista isométrica integración
célula 2
El alzado, planta y perfil de la vista isométrica se muestran a continuación:
Fig.108: Alzado, planta y perfil (integración célula)
El croquis del despiece explosionado es el siguiente:
- 95 -
Fig.109: Vista explosionada (integración célula)
Un aspecto fundamental a tener en cuenta en esta integración de la célula de
carga en la prensa, es la necesidad de un alineamiento perfecto del cabezal móvil de la
prensa con dicha célula para que la medida que proporciona la misma no esté falseada y
para asegurar su integridad. Este requerimiento crítico, se consigue solventar
mecanizando la roscas en los paralelepípedos exactamente en el centro geométrico y
asegurando que la carga se transmite de la prensa a la célula, y de ésta al conjunto
electrodo/matriz sin desequilibrio alguno (transmisión axial perfecta).
Como medida de seguridad extra, y con objeto de asegurar la integridad de la
célula se realiza la siguiente adaptación.
- 96 -
a
b
c
Fig.110: (a) Esquema seguridad célula. (b) Implementación seguridad célula: 4 tornillos
con sus respectivos pernos metálicos terminales casi en contacto con cara inferior del
paralelepípedo superior. (c) Vista que muestra como los cuatro tornillos de seguridad,
sujetan al aislante y realizan la función de protección. Además, uno de ellos fija
mecánicamente el extremo solidario de la varilla de fibra de carbono, que transmite el
movimiento axial del pistón al transductor de desplazamiento
Los cuatro tornillos que van roscados en las cuatro esquinas del paralelepípedo
inferior tienen una longitud superior al espesor de éste. Dicha longitud, junto a la que
aporta el respectivo perno metálico terminal, es tal que los tornillos están casi en
contacto con el paralelepípedo superior. En situación normal no existe apoyo alguno. El
espacio que se deja entre los pernos metálicos terminales y la cara inferior del
paralelepípedo superior es justo el necesario para que la célula pueda ceder, cuando se
aplique carga, y no exista contacto / apoyo. Ante cargas desequilibradas el sistema
asegura puntos de apoyo para que no exista la rotura de la célula.
Por ultimo, conviene destacar que la longitud que ocupan los dos
paralelepípedos, la célula y el aislante es ∼ 80 mm, y que el espacio que queda para
manipular la matriz es ∼ 40 mm, más que suficiente.
*Transductor de desplazamiento
Con el transductor de desplazamiento se va a medir movimiento axial del
cabezal móvil de la prensa neumática.
- 97 -
En primer lugar, es necesario ubicar en un sitio correcto el dispositivo y sujetarlo
convenientemente. Se decide ubicarlo en la parte izquierda de la estructura de la prensa.
Fig.111: Ubicación transductor desplazamiento
La ranura guía del dispositivo se coloca paralela al movimiento axial del pistón,
con ayuda de un nivel electrónico de alta precisión. La sujeción del dispositivo se
realiza mediante dos pletinas de acero inoxidable.
a
b
Fig.112: (a) Pletina de sujeción. (b) Sujeción transductor de desplazamiento
En la ranura guía se introduce el módulo imán. Éste solo posee un grado de
libertad (axial).
Fig.113: Módulo imán transductor de desplazamiento
- 98 -
La rótula del módulo imán no es necesaria y es eliminada.
Para que el movimiento axial del cabezal móvil de la prensa sea solidario con el
de este módulo imán, se diseña una varilla. El material seleccionado para ésta, es fibra
de carbono: material ligero (no introduce desequilibrios de carga) y resistente (no flecta
y el seguimiento solidario es perfecto). Con esta varilla no se altera la medida ni de
posición ni de carga aplicada.
Esta varilla va atornillada en un extremo al módulo imán (M5) y en el otro a uno
de los tornillos (M8) para la seguridad de la célula.
Fig.114: Transmisión del movimiento axial del cabezal móvil de la prensa al transductor
de desplazamiento mediante una varilla de fibra de carbono
La ranura guía donde se introduce el módulo imán es convenientemente
lubricada.
*Electrónica
Buscando disponer de un sistema lo más compacto posible, se decide introducir
toda la electrónica diseñada y los dos equipos adquisidores de datos en una caja
metálica que actúa como “Jaula de Faraday” (recinto conductor cerrado en cuyo interior
el campo eléctrico es cero; esto impide la propagación de cualquier interferencia
electromagnética en su interior).
En concreto, los dispositivos que se van a introducir en nuestra caja metálica
son:
- “MEphisto eléctrico” y “MEphisto mecánico”.
- Amplificador de aislamiento “STUD-DI isolation amplifier C1” en su caja de
superficie.
- Divisor de tensión.
- Placa “acondicionamiento señales eléctricas procedentes sensores mecánicos” en su
caja de superficie.
- Placa “relés + alimentación STUD-DI”.
- Fuente de alimentación “FE-21” (módulo + transformador).
Se elige una caja metálica que se abre lateralmente y que dispone de llave:
- 99 -
Fig.115: Caja metálica donde se mete toda la electrónica del sistema
Un esquema de la disposición de los dispositivos en la caja es:
Fig.116: Disposición caja
Para que exista evacuación de calor cuando la caja está cerrada se realizan cuatro
perforaciones en la tapa de la misma:
Fig.117: Ventilación caja
- 100 -
Por seguridad, se decide incluir un interruptor en serie con el solenoide de la
electroválvula y otro en serie con el circuito que controla el inicio de la descarga
eléctrica desde la batería de condensadores. Si dichos interruptores están abiertos no es
posible ni que se aplique carga por parte de la prensa, ni que se produzca una descarga
eléctrica, aunque desde software se indique lo contrario. Estos interruptores, junto con
los led’s (introducidos en sus correspondientes portaleds de plástico) que indican que un
interruptor electrónico ha sido cerrado desde software, se instalan en el frontal de la
caja.
Fig.118: Interruptor de seguridad y led de funcionamiento
Por otro lado, en la línea de conexión a la red se intercala un interruptor de
encendido/apagado general y un fusible de seguridad (ver Fig.105). El interruptor
seleccionado es uno basculante y se instala en el frontal de la caja. El fusible se
introduce en un portafusible que es instalado en el lateral de la caja, junto a la cerradura
de la misma.
Fig.119: Interruptor basculante, portafusible instalado y tornillo para cable tierra
La conexión de red posee cable tierra y éste es conectado a la caja fijándolo con
un tornillo. La caja es lijada, eliminando la pintura, para que el cable y el tornillo hagan
contacto con el metal (ver Fig.119).
El frontal de la caja queda:
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Fig.120: Frontal caja
Todos los cables de conexión en el interior de la caja son cables apantallados de
audio.
De la caja deben salir los siguientes cables:
- Cable de red (fase, neutro y tierra).
- Cable bipolar para alimentación del solenoide de la electroválvula.
- Cable apantallado de audio para el sensor hall.
- Cable a 4 hilos de la célula de carga (2 hilos para alimentación y 2 hilos para la salida).
- Cable apantallado de audio para la medida de tensión de descarga.
- Cable de audio para alimentación y salida del transductor de desplazamiento.
- Los dos cables USB (alimentación y datos) de los dos dispositivos adquisidores de
datos (MEphisto).
Se decide sacar todos estos cables por la parte trasera de la caja, realizando los
respectivos agujeros y utilizando pasacables.
Fig.121: Parte trasera caja
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