UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA.
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE REGULADA DE
VOLTAJE VARIABLE DE ALTA CORRIENTE PARA GRABADO
ELECTROLÍTICO”.
TESIS
Que para evaluar la experiencia educativa Experiencia Recepcional (MEIF),
del Programa Educativo de Ingeniería en Instrumentación Electrónica.
PRESENTA:
Marco Antonio Sánchez Hernández.
DIRECTOR:
Dr. Francisco Javier González Martínez.
DIRECTOR:
M en C. Jesús Sánchez Orea.
Xalapa- Enríquez, Veracruz
Junio 2015.
i
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN. .......................................................................................................... 1
Objetivo general. .............................................................................................................. 4
Objetivos particulares: .................................................................................................... 4
CAPÍTULO 1 ................................................................................................................... 5
¿QUÉ ES LA LITOGRAFÍA? ........................................................................................ 5
1.1 Definición de la litografía. ...................................................................................... 5
1.2 La litografía y el grabado no tóxico. ........................................................................ 5
1.3 Los antecedentes ..................................................................................................... 6
1.4 El proceso ............................................................................................................... 7
1.5 Ventajas y desventajas del grabado electrolítico. ....................................................12
CAPÍTULO 2 ................................................................................................................. 15
DISEÑO DE LA FUENTE REGULADA DE VOLTAJE VARIABLE DE ALTA
CORRIENTE. ................................................................................................................ 15
2.1 Descripción general. ..............................................................................................15
2.2 Principio del funcionamiento de un transformador. ................................................16
2.3 El diodo de potencia. .............................................................................................17
2.4 Filtros capacitivos. .................................................................................................24
2.5 Reguladores de voltaje y corriente. ........................................................................25
2.6 Transistores de potencia .........................................................................................26
2.7 Enfriadores y disipadores de calor..........................................................................30
2.8 Simuladores electrónicos. ......................................................................................33
CAPÍTULO 3 ................................................................................................................. 34
SELECCIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE LA FUENTE REGULADA DE VOLTAJE
VARIABLE DE ALTA CORRIENTE PARA GRABADO ELECTROLÍTICO. ....... 34
3.1 Transformador. ......................................................................................................34
3.2 Rectificador de onda completa (puente de diodos). ................................................39
ii
3.3 Filtro basado en capacitor. .....................................................................................41
3.4 Elección del regulador de voltaje y corriente. .........................................................44
3.4 Elección de los transistores de potencia..................................................................52
3.6 Cálculo y selección del disipador de calor para los transistores 2N3055. ................55
CAPITULO 4 ................................................................................................................. 60
PRUEBAS Y RESULTADOS........................................................................................ 60
4.1 Pruebas preliminares. .............................................................................................60
4.2 Resultados obtenidos. ............................................................................................61
CONCLUSIONES ......................................................................................................... 67
BIBLIOGRAFÍA. .......................................................................................................... 68
APÉNDICE A. HOJAS DE DATOS. ........................................................................... 70
iii
INTRODUCCIÓN.
En un ambiente urbano, la ingeniería ha ocupado un lugar importante en el desarrollo de
la sociedad. Con el transcurso del tiempo cada día es más difícil encontrar algo donde la
ingeniería no haya intervenido. Continuamente se proponen nuevas ideas metodológicas y
formas para solucionar los diferentes problemas que se nos presentan. El manejo y control
de la energía eléctrica es fundamental en muchas de las soluciones que la ingeniería aporta
a la sociedad, facilitando distintas tareas y haciendo posibles otras que antes no eran
posibles de realizar.
La forma más común de energía que se utiliza es la eléctrica. Actualmente la energía
eléctrica es utilizada en la industria, comercio, las artes y otros, la energía eléctrica está
presente en diversas aplicaciones importantes, y es perceptible que en el futuro el uso de la
energía eléctrica aumente aún más. En este proyecto se estudia la utilización de la energía
eléctrica en el área de las artes, desde el punto de vista litográfico y específicamente en el
proceso del grabado electrolítico.
En el área de las artes, la técnica de grabado electrolítico, ofrece una amplia gama de
nuevas posibilidades gráficas e innovadoras. Sin embargo, en los años recientes el grabado
electrolítico no ha tenido la expansión y aceptación como la tienen el resto de los procesos,
tal vez por un infundado miedo a la electricidad.
1
Para la realización del grabado electrolítico, se requieren de los siguientes elementos:
recipiente vertical (tina de grabado), rejilla (cátodo), electrolito, placa a grabar (ánodo) y
fuente de corriente continua. [1]
En este proyecto de tesis se diseña y se construye, la fuente regulada de voltaje variable
de alta corriente para grabado electrolítico. Si bien es cierto que en el mercado ya existen
las fuentes de corriente directa, la que aquí se construirá será diseñada de acuerdo a las
necesidades particulares de los investigadores de la “A. C. Artistas Veracruzanos bajo La
Ceiba”, donde esta fuente será utilizada para el grabado de placas metálicas.
La tesis se estructura en 4 capítulos, en el primer capítulo se describe el origen del
procedimiento de litografía llevado a cabo en la “A. C. Artistas Veracruzanos bajo La
Ceiba”, también se describe el proceso de electrólisis, el cual es utilizado por esta
asociación para el grabado en placas metálicas.
En el capítulo 2, se describe de manera simple la función de los elementos utilizados
durante el proyecto (componentes electrónicos, equipo de medición y software).
En el capítulo 3, se expone el análisis de los componentes, sus características y
funcionamiento propuesto por el fabricante de estos, bajo las condiciones de trabajo
proporcionadas por el usuario final de esta fuente de corriente.
En el capítulo final, se presentan los resultados obtenidos de la fuente regulada de
voltaje variable de alta corriente, al probarla con una carga resistiva proporcionada por los
1
Crujera Alfonso. (2008). Manual de grabado electrolítico. Madrid
2
investigadores de la “A. C. Artistas Veracruzanos bajo La Ceiba”. Al final de este capítulo,
se describen los ajustes que se llevaron a cabo para ajustar los parámetros de diseño, con
los requeridos al momento de la aplicación de esta fuente.
3
OBJETIVO GENERAL.
La realización de esta tesis responde a la necesidad de resolver un problema propuesto
por los ”Artistas Veracruzanos bajo la Ceiba A. C.”, como lo es la utilización de una fuente
para grabado de placas metálicas. Al mismo tiempo se podrá
demostrar que los
conocimientos adquiridos durante la carrera son aplicables y necesarios para la resolución
de necesidades particulares.
OBJETIVOS PARTICULARES:



Conocer el proceso de grabado en metal utilizado por los ”Artistas Veracruzanos bajo
la Ceiba A.C.”, con la finalidad, de observar su necesidad especifica.
Diseñar una fuente de alimentación que se adapte a sus necesidades.
Realizar las pruebas necesarias, para verificar, que dicha Fuente, responda su
necesidad
4
CAPÍTULO 1
¿QUÉ ES LA LITOGRAFÍA?
1.1 Definición de la litografía.
De acuerdo al diccionario de la Real Academia Española, podemos definir la litografía
como el “Arte de dibujar o grabar en piedra preparada al efecto, para reproducir, mediante
impresión, lo dibujado o grabado
[2]
”.
1.2 La litografía y el grabado no tóxico.
En los últimos años los grabadores, preocupados por la agresividad tóxica de los
productos que tradicionalmente se utilizan en los talleres de grabado, comenzaron a
investigar con nuevos productos, bloqueadores y mordientes, rescatando olvidadas técnicas
antiguas y en desuso. También aplicaron materiales modernos que resultaron bastante más
seguros, así fueron desarrollando varias técnicas diferenciadas de grabar con las que se
logra estampar imágenes de gran calidad técnica, y que han venido llamándose
genéricamente “grabado no tóxico”.
De entre todos estos procesos, el grabado electrolítico -olvidada y prácticamente
desconocida técnica del siglo XIX- ofrece uno de los más atractivos, novedosos y útiles
métodos para grabar planchas de cobre y zinc, minimizando los riegos para el grabador y el
medio ambiente.
2
Real academia española. http://lema.rae.es/drae/?val=litografia,Ultima
visita en 22.02.2013.
5
El proceso de grabado electrolítico, comparado con aquellos que utilizan ácidos, no
genera gases tóxicos, no produce ni acumula residuos, los mordientes no se agotan con las
sucesivas mordidas y tampoco utiliza las nocivas vaporizaciones de resinas o asfaltos para
las agua tintas, permitiendo a su vez, a los grabadores un margen interesante de
investigación.
1.3 Los antecedentes
El grado electrolítico fue descubierto por Thomas Spencer y John Wilson, quienes, en
1840, obtuvieron la patente Engraving Metals by Voltaic Electricity. Tanto en Europa como
en EEUU, la investigación continuó y se siguió utilizando la electrodeposición para la
producción de planchas de impresión, la reproducción de medallas, galvanización de
objetos, y más. Los experimentos gráficos con electrólisis continuaron durante la mitad del
siglo XIX y hasta principios del siglo XX. Por causas que se ignoran, se dejaron de
practicar y de aplicar por los investigadores y artistas, sin embargo fue la industria quien
siguió profundizando y explotando los recursos electrolíticos hasta nuestros días.
En los años 60, Stanley W. Hayte practica la electrodeposición (galvanización) en
líneas dibujadas sobre una capa de barniz previamente extendida sobre una plancha de
cobre, un proceso inventado también por T. Spencer. No es hasta los años 90 que, desde
Canadá, Nik Semenoft
y Christine Christos proponen el grabado electrolítico como
alternativa y, desde EEUU, Marion y Omri Behr exponen sus brillantes investigaciones. En
Europa, el Ateje Larsen, en Suecia, se aplica además de la grabación electrolítica, la
Polytypi o Galvanografía, una interesante técnica, y Cedric Green, en Francia, sitúa el
6
grabado Electrolítico en el mejor puesto de salida para la grabación experimental con
electricidad o generándola en el proceso.
1.4 El proceso
En 1834, el inglés Michael Faraday enunció las leyes de la electrólisis, tomando como
punto de partida el fenómeno de la descomposición de sustancias químicas bajo la acción
de una corriente eléctrica. Estas leyes son dos, si bien para nuestros intereses puede
resumirse en una: la masa de una sustancia liberada en cada electrodo (ánodo y cátodo) es
directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la célula
electrolítica.
Cuando se introducen dos planchas de metal, enfrentadas en paralelo, sin que haya
contacto entre ellas en una disolución salina (agua y una sal conductora del mismo metal de
las planchas para este proceso en específico), y se conectan las terminales de una fuente de
alimentación de corriente continua, la corriente fluye de una plancha a otra a través de la
disolución, el electrolito.
El electrolito contiene siempre, tanto iones metal positivo, como iones sulfato negativo.
Al fluir la corriente, los iones positivos y negativos del electrolito son atraídos a la plancha
con polaridad opuesta. Los iones de metal positivos se adhieren al cátodo (polo negativo)
volviéndose metal solido, y los iones de sulfato negativos son atraídos a las áreas desnudas
del ánodo (polo positivo), y reaccionan con el metal de la superficie oxidándolo y
corroyéndolo. El resultado de este proceso es una “mordida” en el metal, igual que cuando
se graba con un ácido, aunque con notables diferencias, como se muestra en la Figura 1.1.
7
Al mismo tiempo que los iones de metal positivos están depositándose en el cátodo, una
cantidad equivalente de metal está siendo extraída del ánodo, conservando el electrolito su
concentración original.
Figura 1.1 Diferencia entre la mordida con ácidos y por electrólisis
Para grabar con electricidad, es necesario, como se muestra en la Figura 1.2, una cubeta
vertical, donde se cuelgan de los bordes y se enfrentan en paralelo dos planchas; por un
lado, la plancha que vamos a grabar y por el otro, la plancha cátodo, separadas entre sí de 6
a 10 centímetros, dependiendo de la profundidad de la “mordida” deseada. Esta cubeta,
como se puede apreciar en la Figura 1.3, contiene el electrolito, en el que estarán
sumergidas las planchas, que a su vez se conectarán respectivamente a cada uno de los
polos de una fuente de alimentación, la plancha que va a grabarse al polo positivo o ánodo
y la plancha cátodo al polo negativo.
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Figura 1.2 Cubeta vertical, donde se cuelgan de los
Figura 1.3 Esquema del proceso electrolítico.
Bordes y se enfrentan en paralelo dos planchas.
Para proteger las áreas de las planchas donde no se desea corrosión alguna, estas se
deben de proteger, generalmente, con un barniz, para este fin, es posible la utilización de
todo tipo de barnices blanqueadores, como los racionales barnices duro blando, el levantado
de barniz con azúcar o goma arábiga, también han dado buenos resultados los barnices
alternativos con base acrílica, así como la tinta calcográfica utilizada como barniz
blanqueador.
El electrolito, que no es más que una sal conductora de la electricidad, diluida
preferentemente en agua destilada o desionizada. Con cada metal que se quiera grabar o
galvanizar, utilizaremos la sal adecuada para cada uno de ellos, siendo para el cobre sulfato
de cobre, para el zinc sulfato de zinc y para el hierro sulfato ferroso armónico. Se han
realizado pruebas con sal común pero no se han obtenido los mismos resultados que con las
sales arriba señaladas. Las concentraciones de sal por litro de agua suelen estar en un rango
de entre uno y dos mol. Para cada uno de los metales, aunque no se puede dar una
concentración exacta ya que cada uno de los metales reacciona de forma diferente. En el
grabado de saturación influye el flujo de iones, el índice de corrosión y el tiempo empleado
9
en la grabación; con una concentración elevada grabaremos más rápidamente pero se
necesitará una fuente de alimentación capaz de suministrar una corriente elevada.
La fuente de alimentación proporciona corriente continua, esta debe tener incorporada:
un control de voltaje; indicadores de voltaje y amperaje; y dos bornes de salida, el polo
positivo en rojo y el borde negativo en negro. Un voltaje alto no es necesario en la unidad
de grabado electrolítico, generalmente se graba en un rango de menor a 5 voltios, es el
amperaje lo más importante, cuanto más amplias sean las zonas desnudas de metal a grabar,
o cuanto más concentrado esté el electrolito, más amperaje se requiere de la fuente
[3]
. El
nivel de voltaje debe ser constante y este se establece al inicio de la grabación, como se ha
dicho anteriormente el rango de voltaje es muy bajo. En realidad no son necesarios más de
5 V para grabar. Un voltaje más alto puede levantar los bloqueadores de barniz que
protegen al metal que debe permanecer sin grabado y estropear el trabajo. Los tiempos de
mordida oscilan para líneas de 0.2 mm de profundidad entre 15 y 20 minutos, y hasta 60 a
90 minutos para líneas de 0.8 mm de profundidad. para grabar planchas de 40 x 40
centímetros, es recomendable usar una fuente de alimentación con un voltaje de salida de 0
a 5 voltios y una capacidad de corriente de hasta 15 amperios; se recomienda no elevar el
voltaje por encima de los 6 V, ya que arriba de este nivel de voltaje se generan gases de
hidrógeno y oxígeno debido a la electrolisis del agua , lo que podría generar una atmósfera
nociva y explosiva.
3
Crujera Alfonso. (2008).Catálogo Certamen de Arte Gráfico para Jóvenes Creadores. Madrid: Calcografía Nacional.
10
Galvanizar es aprovechar aún más las cualidades que el proceso electrolítico ofrece, para
ello solamente se coloca la plancha a galvanizar en el polo negativo de la cubeta enfrentada
a una plancha del mismo metal en el polo positivo. Como se ha expuesto anteriormente,
cuando la corriente fluye, los iones de metal positivos del electrolito son atraídos a la
plancha que está en el polo negativo y se sueldan a la misma, produciéndose lo que se llama
electrodeposición.
Si se introduce una plancha protegida con barniz, en la que se han dibujado líneas con
una punta de grabado, el metal será acumulado en estas líneas, proporcionando al cabo de
un tiempo un cordón parecido a una soldadura que puede ser estampada como una punta
seca o con rodillo.
Pero la utilización más atractiva de la galvanización es la Galvanografía, que consiste en
la reproducción de una plancha de cobre a partir del recubrimiento electrolítico de un molde
de materiales no imprimibles. Una vez que se ha cubierto la superficie del molde que se
quiere galvanizar con una fina capa de polvo de grafito-que es conductor de la electricidadse introduce en la cubeta electrolítica y se conecta al polo negativo aplicando un voltaje de
entre 1 y 3 Voltios, durante unas 24 hrs. Pasado este tiempo una capa de cobre, de
aproximadamente medio milímetro de espesor, se habrá formado sobre la superficie del
molde.
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Antes de separar las planchas del molde se deben rellenar la rugosidades de la plancha
con resina epoxy con el propósito de alisarla y poderla pasar por el tórculo
( prensa utilizada para la impresión de grabados en metal o calcografías.). Una vez seca la
resina se procede a separar la plancha del molde, se liman los bordes y está lista para
estampar, con rodillo o estampándose como un gofrado (un proceso que consiste en
producir un relieve en el papel por el efecto de la presión). En tiempos como los que corren
de escasez de materia primas, puede ser un recurso para reciclar las inservibles planchas ya
estampadas. 0
Se ha expuesto someramente una introducción de las aplicaciones modernas del grabado
con electricidad, para concluir es importante recordar algunos inconvenientes y ventajas
que tiene grabar con este sistema.
1.5 Ventajas y desventajas del grabado electrolítico.
Entre las ventajas, Figura 1.1, se puede destacar la mordida impecable de la corrosión
electrolítica que es perpendicular a la superficie de la plancha, este fenómeno proporciona
líneas brillantes. La mordida no socava el metal por debajo de la capa de barniz que
rompería el borde del mismo. Las líneas tramadas no tienden a fusionarse con las otras
líneas y originado un mal diseño del dibujo. La estructura del metal genera una superficie
rugosa en el fondo de las tallas que facilita la retención en las líneas anchas.
La cantidad de iones de metal disuelta en la disolución no cambia, así el baño
electrolítico es reutilizable. No se agota la disolución a medida que se va usando. Este
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equilibrio y estabilidad en la disolución, permite calcular tiempos de mordida con más
exactitud que los calculados con los ácidos. Se puede decir que con una misma
concentración en la disolución electrolítica, e igual tiempo y voltaje, las propiedades de la
mordida en planchas con las mismas dimensiones y áreas a grabar pueden ser semejantes.
El electrolito cuando está en las cubetas no desprende gases tóxicos, tampoco durante el
proceso de grabación, como ocurre al grabar planchas de zinc o cobre con ácido nítrico o
clorhídrico. Ni genera burbujas de gas ni residuos metálicos que se acumulen en las tallas
impidiendo que la grabación continúe, por consiguiente, no hay la necesidad de estar
vigilando la plancha mientras se graba.
Las planchas de zinc con restos de electrolito pueden ser lavadas directamente en las
piletas de estudio con agua potable, estos son inocuos para los sistemas sanitarios y
acuíferos. Las planchas con resto de sulfato deben introducirse en un tanque de paso con
agua y limaduras de hierro. Los iones de cobre se convierten en cobre metálico desechable
en contacto con el hierro, la disolución del tanque de paso se va tornando a un color
amarillo intenso en un estado tal que puede arrojarse por el desagüe previo filtrado.
Por el lado de los inconvenientes, el principal está relacionado con la manipulación de
los sulfatos en estado sólido antes de que se hayan diluido, pues no deben de ser aspirados,
ni tocarse con las manos ya que los polvos de estos al aspirase son tóxicos para el
organismo, por lo tanto se deben usar máscaras anti polvo y guantes de goma. Una vez
diluidos, se deben seguir usando los guantes mientras se manipulan las planchas en la
cubeta electrolítica, hasta que se laven con agua una vez acabada la grabación. También se
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debe procurar manipular las planchas con cuidado para no ocasionar salpicaduras que
pueden afectar los ojos del grabador.
Otro inconveniente de esta técnica, se presenta con una tendencia a morder con mayor
profundidad las líneas aisladas que en las áreas de líneas tramadas, este fenómeno también
ocurre en los bordes de la plancha, para amortiguar este efecto se sustituye la plancha
cátodo por una rejilla cátodo. [4]
Por lo anterior, se propone llevar a cabo un prototipo de fuente que responda las
necesidades de los investigadores de la asociación civil, cabe señalar que aunque será un
prototipo, este será totalmente funcional. Esta fuente contará con la capacidad de
proporcionar una corriente de hasta 20 amperios para el grabado de placas de hasta 50 x 50
centímetros.
Con esta descripción del grabado electrolítico que realizan los investigadores de la
asociación civil “ARTISTAS VERACRUZANOS BAJO LA CEIBA A. C.”, se diseñó y
construyó la fuente de alimentación, la cual, en conjunto con los investigadores se puso en
operación.
4 Crujera Alfonso. (2008).Catálogo Certamen de Arte Gráfico para
Jóvenes Creadores. Madrid: Calcografía Nacional
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CAPÍTULO 2
DISEÑO DE LA FUENTE REGULADA DE VOLTAJE VARIABLE DE ALTA
CORRIENTE.
2.1 Descripción general.
La descripción general de la fuente regulada propuesta inicia con el anteproyecto de una
fuente convencional, esta se puede apreciar en la Figura 2.1; la figura muestra el esquema
general de la fuente regulada conformada por cuatro bloques.
Figura 2.1 Diagrama a bloques de una fuente de voltaje.
La Figura 2.1, muestra de manera general las etapas de una fuente de voltaje, la etapa de
conversión de alta a baja tensión, la de conversión de corriente alterna a continua, la de
filtrado de voltaje y la de regulación de voltaje variable de alta corriente.Cada uno de estos
bloques desempeña una tarea importante para el correcto funcionamiento de la misma.
Con la finalidad de entender mejor el funcionamiento de cada una de la partes de la
fuente, a continuación se explican de una manera general el funcionamiento de cada uno de
los dispositivos, tomando en cuenta que la mayoría de estos son para alta corriente debido a
que se manejarán alrededor de 20 amperes, en este capítulo los mencionaremos como
dispositivos de potencia para diferenciarlos de los dispositivos electrónicos de baja
corriente.
15
2.2 Principio del funcionamiento de un transformador.
Los transformadores se definen como maquinas estáticas que tienen la misión de
transmitir, mediante un campo electromagnético alterno, la energía eléctrica de un sistema
con determinada tensión, a otro sistema con la tensión deseada. [5]El circuito eléctrico está
constituido por dos devanados uno denominado primario y otro secundario.
Devanado primario. Está compuesto por una bobina de hilo esmaltado de cobre o
aluminio que se arrolla a un carrete de plástico o cartón en la chapa magnética.
En un transformador el devanado primario es el que se conecta a la red,
independientemente de que sea el que tenga mayor o menor número de espiras y, por tanto
mayor o menor tensión. [6]
Figura 2.2 Devanados primarios y secundarios arrollados alrededor
de la chapa magnética formando un transformador.
Al realizar el bobinado de un transformador, primero se arrolla el devanado de menor
tensión, que generalmente es el devanado secundario. Se debe de realizar de esta manera,
para que encaso de derivación a tierra sea la menor tensión la que se derive y, por tanto el
peligro sea menor. Este devanado está constituido por una bobina de hilo esmaltado
5
Enrique Ras Oliva (1998) Transformadores de potencia, de medida y de Protección. México: Alfaomega.
6
Manuel Alvares Pulido. (2009). Transformadores calculo fácil de transformadores y ato transformadores monofásicos y trifásicos de
baja tensión. Barcelona: Marcombo
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arrollada a través del núcleo magnético. A este devanado se le conecta la carga para utilizar
la nueva tensión obtenida, suele ser de mayor diámetro que el hilo del devanado primario.
2.3 El diodo de potencia.
Como características más importantes de este dispositivo se destacan, en primer lugar,
que se trata de un dispositivo unidireccional que permite el paso de la corriente en un sólo
sentido, este es de ánodo a cátodo. No dispone de terminal de control y permite el paso de
corrientes elevadas con una caída de tensión menor a 1 voltio.
En la Figura 2.3 se muestra la estructura básica de un diodo de potencia incluyendo los
datos de profundidad y dopado. Respecto a un diodo de pequeña señal se caracteriza por su
bajo dopado y la gran profundidad de la región N. Estas características son necesarias para
que la ruptura por avalancha tenga lugar a tensiones inversas elevadas y para acomodar la
ancha capa de carga espacial que se genera con altos valores de tensión inversa aplicada.
Figura 2.3 Estructura física y símbolo del diodo de potencia.
La ruptura inversa se produce cuando el campo eléctrico máximo en la capa de carga
espacial alcanza un determinado valor critico, lo que sucede a una determinada tensión
inversa máxima.
17
Una tensión de ruptura inversa elevada requiere un bajo dopado de la región N, lo que
determina una gran anchura de la capa de carga espacial, que penetra profundamente en esa
región.
Los requerimientos de elevada anchura y bajo dopado de la región N determinan que
está presente una cierta resistencia óhmica y, por lo tanto una caída de tensión a corrientes
elevadas que se suma a la propia de la unión P+N (entre 1 y 2 voltios), de forma que se
incrementa la caída de tensión entre los terminales del diodo en conducción. Por esta razón
el diodo de potencia presenta una curva característica V-I que en polarización directa tiene
menor pendiente que la de un diodo de pequeña señal. No obstante la magnitud de esta
caída óhmica de tensión no resulta excesiva, puesto que la polarización directa de la unión
aporta una gran inyección de huecos P+ a N, lo que incrementa considerablemente la
concentración de portadores en la región N, y por tanto la conductividad, con la siguiente
reducción de la resistividad. Este efecto, denominado modulación de la conductividad,
reduce las pérdidas de tensión y, por lo tanto de potencia, a medida que se eleva la corriente
por el diodo. Sin embargo esta disminución de la caída óhmica en la región N, posibilita
corrientes más elevadas a través de la unión y, por tanto mayor inyección de portadores
minoritarios en aquella región, lo que conlleva a un mayor tiempo de conmutación de
conducción a corte, como consecuencia de la gran cantidad de portadores minoritarios que
es preciso desalojar.
Los diodos no admiten conexión directa en paralelo, porque al tratarse de componentes
bipolares, la corriente, originada por difusión, se incrementa con la temperatura con lo cual
18
se produce el efecto de embalamiento térmico, y por tanto, una distribución muy desigual
de corriente por la conexión.
2.3.1 Curva característica v/i del diodo de potencia.
La curva característica tensión-corriente de un diodo de potencia se muestra en la
Figura 2.4:
Figura 2.4 Características de tensión del diodo de corriente.
En polarización directa, el diodo comienza a conducir a partir de su tensión de codo. La
corriente crece linealmente con la tensión más que exponencialmente. Esto se debe a que
las grandes corrientes en un diodo de potencia crean pequeñas resistencias que ocultan la
forma exponencial de la característica tensión-corriente.
En polarización inversa, una pequeña corriente fluye por el diodo, independiente de la
tensión, hasta que se alcanza la tensión de ruptura inversa. Cuando se alcanza la tensión de
ruptura el voltaje de polarización permanece prácticamente constante, mientras que la
corriente aumenta sobre manera, limitada únicamente por el circuito externo. La
combinación de esta corriente y tensión elevadas produce una gran disipación de potencia
que puede destruir rápidamente el dispositivo.
19
2.3.2 Parámetros de diodos.
A continuación se facilitan las principales características que permiten definir el
funcionamiento de un diodo. Los valores máximos facilitados por el fabricante para evitar
el deterioro de las características del semiconductor son:
Parámetros relacionados con la tensión:
-VR. Tensión inversa continua,(continuous ReverseVoltaje), es la tensión continua que
soporta el diodo en estado de bloqueo.
-VSWM. Tensión inversa de pico de trabajo (Crest working reverse voltaje): es la que
puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura
por avalancha.
-VRRM. Tensión inversa de pico repetitivo (Repetitive peak reverse voltaje): es la que
puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.
-VRSM. Tensión inversa de pico no repetitiva (Non-repetitive reverse voltaje): es aquella
que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más.
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Figura 2.5 Representación gráfica de los valores máximos de tensión de un diodo.
Parámetros relacionados con la corriente.
-IF. Corriente en sentido directo (Forward current): es la corriente que circula por el
diodo cuando se encuentra en el estado de conducción en sentido directo.
-IF(AV). Corriente media nominal en sentido directo (Average forward current): es el
valor medio de la corriente máxima de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede
soportar.
-IFRMS. CorrienteRMS en sentido directo (RMS forward current): es el valor RMS de la
corriente máxima de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.
-IFRM. Intensidad de pico repetitivo (Reptitivepeak forward current): es aquélla que
puede ser soportada cada 20 ms, con una duración de pico a 1 ms, a una determinada
temperatura de la cápsula (normalmente 25º).
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-IFSM. Intensidad directa de pico no repetitiva (Non-repetitive peak forward current): es
el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10
ms. o valor de pico no repetitivo.
Figura 2.6 Representación gráfica de los valores máximos de tensión de un diodo de potencia.
Parámetros relacionados con la temperatura.
-Tstg. Temperatura de almacenamiento (Storage temperatura). Es la temperatura a la que
se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar
un margen de valores para esta temperatura.
-TJ. Temperatura de unión (Junction temperature).Es el límite superior de temperatura
que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su
inmediata destrucción.
22
2.3.3 Tipos de diodos.
Existen diferentes clasificaciones de diodos, atendiendo a las características que se
considere, se tiene:
Según la corriente directa (If) que es capaz de conducir el diodo se clasifican en :
-De pequeña potencia; < 1 amperio.
-De media potencia: 1 amperio <IF<100 Amperios.
-De alta potencia: IF>100 Amperios.
Según la velocidad de conmutación, se pueden clasificar en:
-Diodos de propósito general (general purpose): son diodos lentos usados generalmente
en la rectificación de la tensión de red (frecuencias de trabajo de 60 Hz)
Sus características más importantes son:
Trr≈25µseg.
IF desde 1A hasta 1000 A
VR desde 50 voltios hasta 5kV.
Se aplican en circuitos rectificadores de señales con frecuencias inferiores a 1kHz.
-Diodos de recuperación rápida (fast recovery), se usan preferentemente en
multivibradores y en inversores. Sus características más importantes son:
Trr<5µseg.
IF desde 1A hasta 100A
VR desde 50 voltios hasta 3kV.
23
-Diodos de recuperación suave (fast soft recovery): de características similares a los
anteriores, disminuyen el valor de
𝑑𝐼 𝑅
𝑑𝑡
, lo que genera menores interferencias de
radiofrecuencia.
-Diodos Schottky: se aplican en fuentes de alimentación de la alta corriente y baja
tensión y en fuentes de alimentación de alta eficiencia. Sus características más importantes
son su baja caída de tensión en directo (Vf baja, sobre los 0,4 voltios)y su alta velocidad de
conmutación. Además:
IR alta (mayores pérdidas en estado de bloqueo).
VR< 100 voltios.
IF desde 10 A hasta 300 A.
De acuerdo a lo anteriormente expuesto, para el diseño de la fuente se utilizaron diodos
de mediana potencia y de propósito general. [7]
2.4 Filtros capacitivos.
El filtro capacitivo, Figura 2.7, es esencialmente un capacitor conectado en paralelo con
la resistencia de carga. En la medida que el voltaje pulsante en D.C. del rectificador se
aplica al capacitor C, carga el valor pico de voltaje aplicado. Entre picos el capacitor
descarga a través de la resistencia de la carga RLy el voltaje cae gradualmente.
7
Salvador Segui Chilet, Fco. J. Gimeno Sales, Carlos Sánchez Díaz, Salvador Orts Grau (2004). Electrónica de potencia Fundamentos
básicos. México: Alfaomega
24
Figura 2.7 El filtro capacitivo es un capacitor C,
conectado en paralelo con la resistencia de carga RL
La cantidad de voltaje que cae antes que el capacitor comience un nuevo ciclo de carga
se le llama “rizo de voltaje”, Figura 2.8. La cantidad de descarga del capacitor entre picos
de voltaje está controlada por la constante de tiempo RC del capacitor y la resistencia de
carga RL, si la resistencia es grande y la capacitancia también lo es, el voltaje de rizo es
pequeño, resultando una salida “suave”. [8]
Figura 2.8 La cantidad de voltaje que cae antes que el capacitor
comience un nuevo ciclo de carga se le llama rizo de voltaje.
2.5 Reguladores de voltaje y corriente.
Los reguladores de voltaje están presentes en las fuentes de alimentación de corriente
continua reguladas, su función es proporcionar una tensión constante a su salida, sin
importar que la corriente de carga varíe dentro de un determinado rango. Un regulador de
tensión mantiene un voltaje estable.
8
Enrique Harper (2003) El ABC del control electrónico de las maquinas eléctricas. México: Limusa
25
Actualmente es común encontrar en la fuentes de alimentación reguladores integrados,
el encapsulado más común de estos componentes es el TO220, el que mayormente se
utiliza es el de tres terminales, uno de entrada, uno común o tierra, y uno de salida, tiene
una capacidad de eliminación del rizado muy alta y normalmente solo hay que conectarle
un par de condensadores, como lo indica la hoja de datos del fabricante.
Existen circuitos reguladores con un gran abanico de tensiones y corrientes de
funcionamiento. La serie más conocida de reguladores integrados es la 78XX y la serie
79XX para tensiones negativas, los de mayor potencia necesitan un disipador de calor, y las
dimensiones mecánicas de estos se especifican en la hoja de datos de sus fabricantes. [9]
2.6 Transistores de potencia
Hasta este momento se han descrito de manera general los componentes de una fuente
de voltaje regulado convencional, para la fuente regulada de voltaje variable de alta
corriente para grabado electrolítico que se diseña en este proyecto de tesis, es necesario
exponer una de sus etapas más importantes y la cual le da a esta fuente el requerimiento
para esta aplicación, esta es la etapa de potencia. En esta etapa se utilizaron transistores
bipolares de potencia.
Un transistor bipolar (BJT) de potencia, es un dispositivo semiconductor de tres
terminales (base, colector y emisor), unidireccional, en el que la corriente de colector es
controlada mediante la corriente inyectada por el terminal de control (base). En
9
Felipe Gato Gutiérrez, A Mario Gato Gutiérrez (2010).Sistema de aeronaves de turbina Tomo II. San Vicente (Alicante): Editorial club
universitario.
26
aplicaciones de potencia trabaja conmutado entre las regiones de corte y saturación,
manejan menores tensiones en sentido directo y corrientes que los SCR y GTO, pero son
más rápidos y más fáciles de controlar a través de la base.
Un transistor bipolar se forma añadiendo una segunda región p o n a un diodo de unión
pn. Con dos regiones n y una región p, se forman dos uniones conociéndose como un
transistor NPN, tal y como se muestra en la Figura 2.9-a. Con dos regiones p y una región
n, se conoce como un transistor PNP, tal y como se muestra en la Figura 2.9-b. Las tres
terminales se denominan colector, emisor y base. Un transistor bipolar tiene dos uniones, la
unión colector base (CBJ) y la unión base emisor (BEJ).
Figura 2.9 Transistores bipolares.
A pesar de que hay tres configuraciones posibles, colector común, base común y emisor
común, la configuración de emisor común que aparece en la Figura 2.10-a para un
transistor NPN, es la que generalmente se utiliza en aplicaciones de conmutación. Las
características típicas de entrada de la corriente de base, IB, contra el voltaje base-emisor,
VBE, aparecen en la Figura 2.10-b. La Figura 2.10-c muestra las características típicas de
salida de la corriente del colector, IC, en función del voltaje colector-emisor, VCE. En el caso
de un transistor PNP, las polaridades de todas las corrientes y voltajes son inversas en
relación al transistor NPN.
27
Figura 2.10 Características de los transistores NPN.
En un transistor existen tres regiones de operación: de corte, activa y de saturación. En la
región de corte, el transistor está desactivado o la corriente de base no es suficiente para
activarlo teniendo ambas uniones polarización inversa. En la región activa, el transistor
actúa como un amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante
una ganancia y el voltaje colector-emisor disminuye con la corriente de la base. La unión
colector-base tiene la polarización inversa, y la base-emisor polarización directa. En la
región de saturación, la corriente de base es lo suficientemente alta para que el voltaje
colector-emisor sea bajo, y el transistor actúa como interruptor. Ambas uniones (CBJ y
EBJ) tienen polarización directa. La característica de transferencia, que es una gráfica Vce
en función de IB aparece en la Figura 2.11.
28
Figura 2.11 Características de transferencia.
Los transistores de potencia tienen características controladas de activación y
desactivación. Los transistores, que se utilizan como elementos conmutadores, se operan en
la región de saturación, lo que da como resultado en una caída de voltaje baja en estado
activo.
La velocidad de conmutación de los transistores modernos es mucho mayor que la de los
tiristores, por lo que se utilizan en forma amplia en convertidores de ca-cd y de cd-ca, con
diodos conectados en paralelo inverso para proporcionar un flujo de corriente bidireccional.
Sin embargo, las especificaciones de voltaje y de corriente son menores que las de los
tiristores, así, los transistores se utilizan por lo general en cuatro categorías:
Transistores bipolares de juntura (BJT)
Transistores semiconductores de Metal-Óxido-Silicio de Efecto de Campo (MOSFET)
Transistores de inducción estática (SIT)
Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT)
29
Los transistores tienen ciertas limitaciones estando restringidos a algunas aplicaciones.
Las características y especificaciones de cada uno de estos tipos deberán examinarse para
determinar su adecuación a una aplicación en particular. [10]
2.7 Enfriadores y disipadores de calor
Debido a las pérdidas de potencia por operación y por conmutación, dentro de los
dispositivos de potencia se genera calor. Este calor debe transferirse del dispositivo a un
medio más frío, a fin de mantener la temperatura de operación de la unión dentro del rango
especificado por el fabricante. La transferencia de calor puede llevarse a cabo mediante
conducción, convección o radiación, ya sea natural o de aire forzado, en las aplicaciones de
media y alta potencia es común utilizar el enfriamiento por convección, en las aplicaciones
de baja o muy baja potencia no es necesario el enfriamiento, la figura 2.12 muestra diversos
tipos de disipadores de calor .
10
Muhammad H Rashid. (1995).Electrónica de potencia, Circuitos dispositivos y aplicaciones México: Pretice Hall Hispanoamericana,
S.A.
30
.
Figura 2.12 Disipadores de calor.
Hay una amplia variedad de disipadores de calor de aluminio extruido disponibles
comercialmente, que utilizan aletas de enfriamiento a fin de aumentar la capacidad de
transferencia de calor. Las características de resistencia térmica de un disipador de calor
típico, con enfriamiento natural y forzado aparecen en la Figura 2.13, donde la disipación
de potencia en función de la elevación de la temperatura del disipador queda ilustrada para
un enfriamiento natural. En el caso de un enfriamiento forzado, la resistencia térmica se
reduce con la velocidad del aire. Sin embargo, más allá de cierta velocidad, la reducción de
la resistencia térmica no es significativa.
31
Figura 2.13 Características de la resistencia térmica
El área de contacto entre el dispositivo y el disipador de calor es de extrema importancia
para minimizar la resistencia térmica entre la carcasa y el disipador. Las superficies de
contacto deben ser planas, lisas y libres de suciedad, corrosión y óxidos superficiales.
Normalmente, para mejorar la capacidad de transferencia de calor y minimizar la formación
de óxidos y agentes corrosivos, se aplica grasas de silicio.
El dispositivo debe montarse en forma correcta sobre el disipador de calor, a fin de
conseguir la presión exacta de montaje entre las superficies de contacto. Los
procedimientos correctos de instalación normalmente son indicados por los fabricantes del
dispositivo. En el caso de los dispositivos montados con perno, pares de torsión de montaje
excesivos podría causar daño mecánico en la oblea de silicio; el perno y la tuerca no deben
engrasarse ni lubricarse, ya que la lubricación aumenta la tensión sobre el perno.
32
La impedancia térmica de un dispositivo de potencia es muy pequeña y, como resultado,
la temperatura de la unión del dispositivo varía con la pérdida instantánea de potencia. La
temperatura instantánea de la unión debe siempre mantenerse por debajo del valor
aceptable.
Una gráfica de la impedancia térmica transitoria, en función de la duración del pulso de
onda cuadrada es por lo general suministrada por los fabricantes de los dispositivos, como
parte de la hoja de datos. A partir del conocimiento de la forma de onda de la corriente a
través del dispositivo, se puede determinar una pérdida de potencia en función del tiempo, y
de ahí, las características transitorias de la impedancia pueden utilizarse para calcular las
variaciones de la temperatura con el tiempo. [11]
2.8 Simuladores electrónicos.
El uso de simuladores electrónicos en algunas etapas del proceso de creación y diseño de
un producto incrementa la calidad y seguridad del mismo y supone un ahorro de dinero,
para el diseño de este trabajo de tesis se utilizo el simulador proteus de la empresa
Labcenter elctronics versión 7.8.
11
Muhammad H Rashid. (1995).Electrónica de potencia, Circuitos dispositivos y aplicaciones México: Prentice-Hall Hispanoamericana,
S.A.
33
CAPÍTULO 3
SELECCIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE LA FUENTE REGULADA DE VOLTAJE
VARIABLE DE ALTA CORRIENTE PARA GRABADO ELECTROLÍTICO.
En el capítulo anterior se explicó cada una de las partes implicadas en la fuente de
alimentación, ahora, en esta sección, se redacta el análisis, los cálculos de los componentes,
selección y el diseño de los circuitos eléctricos implicados en este proyecto.
3.1 Transformador.
A continuación se describen las características fundamentales del transformador
seleccionado así como el cálculo que se realizó para obtener las dimensiones del
transformador, el calibre de alambre y número de espiras necesario de acuerdo al voltaje y
la corriente para la fuente, para este caso se utilizó el método analítico en el cálculo del
transformador.
Los datos básicos con los que se inicio el cálculo fueron los siguientes:
V1.= Tensión primaria (devanado que se va a conectar a la red).
V2. = Tensión secundaria (devanado al que se le va a conectar la carga, para esta siempre
se calcula un 10% más de la salida deseada).
F = Frecuencia de la red que en nuestro caso es de 60 Hz.
P = Potencia, la cual se calcula con la ecuación 3.1.
P=V2*I2.
(3.1)
Donde I2 es la corriente del devanado secundario
34
Para conocer el número de espiras que le corresponde a cada uno de los devanados se
utilizó la ecuación 3.2 . [12]
𝑬
𝑽
=
𝟑𝟒
(3.2)
𝑷
Donde E es el numero de espiras.
De acuerdo a la tensión y corriente solicitada por los ”Artistas Veracruzanos bajo la
Ceiba A. C.”, y considerando la carga, las características del transformador son: tensión de
entrada de 120 volts, frecuencia 60Hz, voltaje de salida 17 volts a 30 amperes, con lo cual
se determinan los siguientes parámetros:
Potencia del transformador; utilizando la ecuación 3.1. Donde V2 es 10% arriba del
valor máximo del rango de voltaje entregado por la fuente, para que el transformador opere
dentro sus límites de diseño, quedando de la siguiente manera:
P= (17V*1.1) (30A) = 561 Watts.
Ahora se calculan las espiras por voltio con la ecuación 3.2
𝑬
𝑽
=
𝟑𝟒
.
𝑷
Donde sustituyendo el valor de la potencia calculada en el paso anterior
𝑬
𝑽
=
𝟑𝟒
.=1.43
𝟓𝟔𝟏
Con este valor calculado se determina el número de espiras en cada devanado aplicando
la ecuación 3.3 [13]
12 12
. Manuel Alvares Pulido.(2009). Transformadores: Cálculo fácil de transformadores y autotransformadores, monofásicos y trifásicos
de baja tensión. Barcelona: MARCOMBO, S.A.
35
𝑬
N= *V.
(3.3)
𝑽
Espiras en el devanado primario
N1=1.43*120=172
Espiras devanado secundario
N2=1.43*(17*1.1)=26.7
Conociendo el número de espiras en el devanado primario se obtiene el tamaño de la
sección del núcleo del transformador con la ecuación 3.4. [14]
Donde S es el tamaño de sección del núcleo del transformador.
𝑺=
𝑽𝟏∗𝟏𝟎𝟎
(3.4)
𝟐.𝟔∗𝑵𝟏
Sustituyendo los valores queda de la siguiente manera.
𝑺=
𝟏𝟐𝟎 ∗ 𝟏𝟎𝟎
= 𝟐𝟔. 𝟖𝟑 𝒄𝒎𝟐
𝟐. 𝟔 ∗ 𝟏𝟕𝟐
El siguiente paso es calcular cada una de las intensidades de la corriente en cada uno de
los devanados lo cual se realizó aplicando la ecuación3.5.
𝑷
I= 𝑽
(3.5)
Intensidad de corriente en el devanado primario.
I1=
𝑷
𝑽𝟏
𝟓𝟔𝟏𝑾
=
𝟏𝟐𝟎𝑽
=4.67 A
Intensidad de corriente en el devanado secundario.
14
Manuel Alvares Pulido.(2009). Transformadores: Cálculo fácil de transformadores y autotransformadores, monofásicos y trifásicos de
baja tensión. Barcelona: MARCOMBO, S.A.
36
𝑷
𝟓𝟔𝟏
I2= 𝑽𝟐 =(𝟏𝟕∗𝟏.𝟏)𝑽 =30 A
A continuación se determinan las secciones de cada uno de los devanados para después
poder determinar el diámetro de cada uno de los hilos en los devanados.
Como se tiene el conocimiento de las corrientes se aplica la ecuación 3.6.
𝑰
S=𝑱
(3.6)
Donde J será la cantidad de corriente que deseamos que circule por 𝑚𝑚2 en el caso del
devanado primario será de 4 A/𝑚𝑚2 quedando de la forma siguiente.
S1 =
𝟒.𝟔𝟕 𝑨
𝟒
= 1.16
Para la sección del devanado secundario se considera que la corriente que circulara es
mayor por lo tanto toma el valor de 5 A/𝑚𝑚2 , quedando de la forma tsiguiente.
S2 =
𝟑𝟎 𝑨
𝟓
=6
Con los datos anteriores se determinan el diámetro de los hilos utilizando la ecuación3.7.
θ=
𝒔
(3.7)
𝟎.𝟕𝟖𝟓
Diámetro del hilo en el devanado primario.
θ=
𝟏.𝟏𝟔
𝟎.𝟕𝟖𝟓
= 1.21 𝒎𝒎𝟐.
Diámetro del hilo en el devanado secundario.
θ=
𝟔
𝟎.𝟕𝟖𝟓
= 2.76𝒎𝒎𝟐.
Por lo tanto las carteristas del trasformador son las siguientes:
Datos del devanado primario:
37
Tensión. 120V.
Intensidad. 4.67 A.
Numero de espiras. 172.
Diámetro del hilo. 1.21mm.
Datos del devanado secundario:
Tensión 19V.
Intensidad 30 A.
Numero de espiras 26.7.
Diámetro del hilo 2.76 mm.
Datos comunes en ambos devanados.
Potencia 561 W.
Espiras por voltio 1.43.
Frecuencia 60 Hz.
Sección del núcleo 26.83 𝑐𝑚2
38
Figura 3.1 Muestra las medidas del diseño para el trasformador
Una vez diseñado el trasformador se utilizó la hoja de cálculo diseñado en
Excel™“Cálculo de trasformador monofásico”, proporcionado por la editorial Marcombo
como complemento del libro Transformadores: Cálculo fácil de transformadores y
autotransformadores, monofásicos y trifásicos de baja tensión, para corroborar los caculos
de diseño.
[15]
Una vez calculadas las especificaciones del transformador, se solicito su
construcción con un fabricante local de transformadores.
3.2 Rectificador de onda completa (puente de diodos).
El siguiente paso para la construcción de la fuente de alimentación fue convertir el
voltaje de ca del secundario del transformador en un voltaje pulsante de cd, para esto se
utilizaron cuatro diodos de potencia, los cuales se pusieron en la configuración de puente de
onda completa como lo muestra la Figura 3.2, en dicha figura se puede observar que en esta
configuración los diodos están conectados a las terminales uno y dos del transformador, en
15
Manuel Alvares Pulido.(2009). Transformadores: Cálculo fácil de transformadores y autotransformadores, monofásicos y trifásicos de
baja tensión. Barcelona: MARCOMBO, S.A.
39
el semiciclo positivo la terminal uno es positiva con respecto a la terminal dos, los diodos
D1 y D2 conducen, y en el semiciclo negativo la terminal dos es positiva con respecto a la
terminal uno, los diodos D3 y D4 conducen, el resultado que se obtiene es un voltaje de cd
pulsante en las terminales de salida.
Figura 3.2 El transformador y el puente de diodos reduce el
voltaje primario de ca de 120 V a 19 V pulsante cd.
Para la determinación del tipo de diodo de potencia que se utilizaría, se tomó en cuenta
la corriente que se manejaría, por tal motivo se siguió la recomendación que en este sentido
hace National Semiconductor. Para evitar que un diodo trabaje sobre corriente se
recomienda utilizar diodos que por lo menos soporten el doble de la corriente de salida.[16]
Por lo mencionado anteriormente se optó por utilizar para la fuente regulada de voltaje
variable de alta corriente, diodos de potencia de 60 amperes de corriente en sentido directo
(IF), debido a la gran cantidad de corriente que se maneja en esta aplicación, en este caso
fueron 30 amperes.
16
Nelio Sevastopoulos, Jim Sherwin.(1977) Voltage Regulator Handbook. USA: National Semiconductor.
40
La Figura 3.3 muestra los diodos de potencia unidos al disipador de calor, el cual es
necesario para que los dispositivos funcionen dentro de los parámetros de temperatura de
operación que marca el fabricante. En el diseño de esta fuente se utilizaron cuatro diodos
automotrices, esto debido a su bajo costo, fácil adquisición y a las características de
potencia con que cuentan, estos son de la marca Delco modelo DR5042, y con capacidad de
manejar hasta 60 amperes cada uno.
Figura 3.3 Ensamble de diodos marca Delco modelo DR5042
3.3 Filtro basado en capacitor.
El voltaje proporcionado hasta este punto por el transformador y después del puente
rectificador proporciona un voltaje de cd pulsante no puro, es decir presenta un rizo de
voltaje muy grande, para reducirlo es necesario colocar un filtro, en este caso se utilizó uno
de tipo capacitivo, entre las terminales del puente rectificador como se muestra en la figura
3.4.
41
Figura 3.4 Transformador más puente rectificador más capacitor
da como resultado una fuente de cd no regulada.
Para poder determinar la capacidad adecuada del capacitor a utilizar para reducir el rizo
se realizó lo siguiente.
Se consideró un voltaje de rizo menor a 10% para Vcd FL=19V se calcula primero
ΔVo, con la ecuación 3.8. [17]
Donde Vcd FL es el voltaje con carga.
𝑽𝒓𝒎𝒔 𝑨 𝑪𝑨𝑹𝑮𝑨 𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳
% componente alterna =
𝑽𝒄𝒅𝑭𝑳
X 100 (3.8)
Despejando queda de la siguiente manera
Vrms =.
% 𝒓𝒊𝒑𝒑𝒍𝒆 𝑽𝒄𝒅𝑭𝑳 𝟏𝟎 (𝟏𝟗𝑽)
𝟏𝟎𝟎
=
𝟏𝟎𝟎
=1.9V
Posteriormente se aplicó la ecuación 3.9. [18]
17 ,18
Robert F.Coughlin, Frederick F. Driscoll (1993) Amplificadores Operacionales Y Circuitos integrados Lineales. México: PrenticeHall Hispanoamericana, S.A.
42
ΔVo.=3.5 Vrms
(3.9)
Quedando de la siguiente manera;
ΔVo.=3.5 (1.9 V) = 6.65V
Finalmente utilizamos la ecuación 3.10 para determinar el tamaño del capacitor.
ΔVo≈
𝑰𝑳
𝟐𝟎𝟎𝑪
.
(3.10)
Despejando C queda de la manera siguiente:
C=
𝑰𝑳
𝟐𝟎𝟎 𝜟𝑽𝒐.
=
𝟑𝟎 𝑨
𝟐𝟎𝟎 (𝟔.𝟔𝟓).
=
𝟑𝟎 𝑨
𝟏𝟑𝟑𝟎.
=.0 225 566 F o 22 556µF.
Como la capacitancia requerida es de 22 556µF se pensó en poner un capacitor
electrolítico con el valor más próximo en este caso de 30 000µF
pero como no se
encontraba en existencia, se optó por poner dos capacitores electrolítico en configuración
paralelo de 15 000 µF cada uno a 80v, sumando un total de 30 000 µF, Figura 3.5. [19]
19
Robert F.Coughlin, Frederick F. Driscoll (1993) Amplificadores Operacionales Y Circuitos integrados Lineales. México: Prentice-Hall
Hispanoamericana, S.A.
43
Figura 3.5 Muestra a los capacitores electrolíticos en configuración
paralelo utilizado en la construcción de la fuente de voltaje.
3.4 Elección del regulador de voltaje y corriente.
Los reguladores fijos de tres terminales los especifica su fabricante para diferentes
rangos de corriente. Estos reguladores ofrecen un método simple y de bajo costo para la
construcción de fuentes de voltaje regulado.
44
Estos reguladores se clasifican en: estándar; de baja potencia; y de baja tensión
diferencial. La clasificación estándar de estos reguladores está diseñada para aplicaciones
no muy complejas y no críticas. Soportan corrientes de más de 1A, siempre que se utilicen
con disipador de calor. Los reguladores de baja potencia son los adecuados cuando la
corriente de carga no supera los 100 mA. Están disponibles en encapsulados del tipo TO-92
Figura 3.6.
Figura 3.6 Tipos de encapsulado para reguladores de voltaje.
Es muy importante mencionar que la tensión diferencial entrada/salida mínima o dropout
de un regulador voltaje se define como la tensión necesaria para que el regulador tenga el
voltaje de salida especificado. Por ejemplo un regulador estándar tiene una tensión
marginal de 2 a 3 V. Esto quiere decir que es necesaria una tensión de entrada de 2 a 3V
mayor que la tensión de salida regulada del chip, para funcionar según las especificaciones
del fabricante. En aplicaciones en las cuales no sea posible conseguir tensiones
diferenciales de entre 2 a 3 V, se utilizan los reguladores de baja tensión diferencial. Estos
tienen una tensión de dropout de 0.15 V para corrientes de carga de 100 mA y de 0.7 V
para corrientes de carga de 1 A.
45
Las características principales de los reguladores de voltaje de tres terminales son las
siguientes:
Facilidad de uso. Se requiere de muy pocos componentes externos.
Voltaje de salida estable.
Protección térmica interna.
Protección a corto circuito.
Algunas características no deseables son las siguientes:
No todos pueden ser ajustados porque su elemento de muestreo de voltaje de salida es
interno.
Su exactitud puede ser +/- 5% de su valor nominal.
Los límites de corriente se basan en el rango de corriente aplicable en el regulador de
voltaje. La ampliación del rango de I SAL requiere circuitería externa. [20]
Los reguladores de voltaje ajustables se pueden adaptar para aplicaciones que requieren
alta exactitud en el voltaje de salida. Adicionalmente todos los reguladores ajustables usan
retroalimentación externa, los cual permite diseñar una selección de voltaje precisa, como
el LM317 este es un regulador de voltaje ajustable positivo, tiene tres terminales, como lo
muestra la Figura 3.7, el LM317 mantiene exactamente 1.25V entre sus terminales de salida
ajustable, este voltaje se llama Vref, puede variar de circuito a circuito desde 1.20 a 1.30V.
Como se puede observar en la Figura 3.7, una resistencia de 240Ω (R1) se conecta entre las
20
Maciel Suárez (2004). Fuentes de alimentación. México: Limusa.
46
terminales uno y dos del regulador, esto con el fin de hacer conducir una corriente de 5mA
(1.2v/240Ω). Esta corriente de 5mA fluye a través de R2, R2 es ajustable. La caída de
tensión a través de ella, V2, será igual a R2 x 5mA. El voltaje de salida (Vo) del regulador
se establece por R2 más la caída de tensión de 1.2V a través de R1. Por lo tanto Vo está
dado por:[21]
𝟏.𝟐𝑽
Vo= 𝑹𝟏 (𝑹𝟏 + 𝑹𝟐)
(3.11)
Los reguladores de tres terminales son los mayormente utilizados por su pequeño
tamaño y porque requieren de un mínimo de componentes externos. El montar y usar
reguladores de tres terminales no presenta ningún problema, pero hay varias precauciones
que deben de ser tomadas en cuenta. Para un regulador positivo, se recomienda conectar un
capacitor de 0.33 µF directamente sobre las terminales de entrada, ya que la inductancia de
las terminales de conexión pueden producir oscilaciones dentro del integrado. Se
recomienda además, conectar sobre las terminales de salida un capacitor de 10 µF, esto con
el fin de mejorar la respuesta transitoria del regulador. Si no es posible conectar los
capacitores antes mencionados sobre las terminales del regulador, estos se deberán colocar
lo más cerca posible a dichas terminales.
Para reguladores negativos, los valores recomendados por el fabricante son 2 µF, para el
capacitor de entrada y de 1 µF para el de salida. Estos reguladores se pueden considerar
complementarios de los positivos mediante los cambios apropiados en la polaridad del
21
Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll (1993) Amplificadores Operacionales Y Circuitos integrados Lineales. México: Prentice-Hall
Hispanoamericana, S.A.
47
voltaje de entrada. Si se emplean componentes externos tales como transistores, estos
también deben ser complementarios a aquellos utilizados en los reguladores positivos.
Figura 3.7 Regulador de voltaje de tres terminales LM317
La Figura 3.8, muestra parte del diagrama esquemático de la fuente regulada de voltaje
variable de alta corriente, en esta se puede observar el regulador de voltaje (U1), y los
transistores de potencia (Q2 a Q7) junto con el transistor que los controla (Q1).
Figura 3.8 diagrama general de la fuente regulada
de voltaje variable de alta corriente.
En el diseño de esta fuente se utilizo el regulador de voltaje LM317 (U1), el cual es un
dispositivo que proporciona una corriente de salida de hasta 1.5A, siempre que no este
sujeto a una disipación de potencia de más de 15W (encapsulado TO-3), su limite de Vo es
3V abajo del voltaje mínimo de entrada desde la fuente no regulada, pude regular valores
desde 1.2V hasta 37V, el LM317 se protege a si mismo por sobre calentamiento provocado
48
por demasiada disipación de potencia interna y demasiada corriente, es decir: cuando la
temperatura interna alcanza los 175°C el LM317 se apaga; si el producto de la corriente de
salida y la tensión diferencial de entrada/salida excede de 15 a 20 W; o si se requieren
corrientes de salida mayores a 1.5 A, el dispositivo se protegerá por sobre calentamiento.
Cuando se elimina la condición de sobrecarga, el LM317 simplemente reasume la
operación normal. Todas estas características de protección son posibles por la notable
circuitería interna del LM317
[22]
. En este proyecto, el LM317 se utilizó con un disipador
de calor para manejar la corriente de base del transistor Q1.
Para controlar el nivel de conducción de los transistores de potencia Q2 a Q7, fue
necesario el uso del transistor Q1, el cual controla la corriente de base de estos transistores,
este debería tener las siguientes características: fuera de propósito general y mediana
potencia, opere a bajas frecuencias y tenga alta ganancia de corriente.
El transistor Q1, seleccionado, es el transistor con número de parte TIP122 fabricado por
Fairchild, este cumple con las características requeridas, ya que es un transistor Darlington
de mediana potencia (dos transistores conectados en cascada para aumentar la ganancia).
Su corriente máxima de colector (ICmax) es de 5A, su ganancia de corriente de emisor
común (hFE) es de 1000 y su voltaje colector emisor base abierta (VCEO) es de 100 V, este
dispositivo trabaja en bajas frecuencias y tiene un encapsulado tipoTO–220, el cual puede
integrarse fácilmente a un disipador de calor.
22
Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll (1993) Amplificadores Operacionales Y Circuitos integrados Lineales. México: Prentice-Hall
Hispanoamericana, S.A.
49
Es importante mencionar que la necesidad del transistor Q1, mostrado en la Figura 3.9,
se debe a que la corriente de base requerida por los transistores de potencia Q2 a Q7 llega
ser superior a 1.5A, la cual no podría ser suministrada adecuadamente por el regulador de
voltaje U1. En la Figura 3.10 se muestra la configuración del regulador de voltaje que se
utilizo en este diseño, la cual es una aplicación estándar especificada en la hoja de datos del
fabricante del regulador de voltaje.
A la base de los
transistores de potencia
Q2 a Q7 (2N3055).
Figura 3.9 Muestra el transistor Q1, utilizado para
manejar la base de los transistores 2N3055.
Figura 3.10 configuración estándar del LM317
En la Figura 3.10, los valores de R1 y RV1 dependerán de la tensión de salida máxima
que el dispositivo deba suministrar. Apegándose a los requerimientos del usuario, la fuente
fue diseñada para suministrar un voltaje máximo de salida de 5V. Utilizando la ecuación
3.11, los valores obtenidos para estas resistencias son; R1=240Ω y RV1=760 Ω.
50
Asociados al C.I. LM317 se utilizan tres capacitores; C1 y C2 con valor de 20µF cada
uno, C1 minimiza los problemas causados por terminales largas entre el puente rectificador
y el LM317, C2 mejora la respuesta transitoria, y C3 de 100 µF como lo especifica el
fabricante. Con la finalidad de proteger de manera externa de posibles cortos circuitos al
regulador, en la entrada y salida se le conectaron dos diodos D1 y D2 (1N4002), como lo
indica la hoja de datos del fabricante. De tal modo, que el circuito final en la etapa del
regulador LM317 quedo de la siguiente manera, Figura 3.11.
Figura 3.11. Etapa de regulación de voltaje con protección externa,
donde D1 protege de corto circuito a la entrada y D2 de corto circuito a la salida
51
3.4 Elección de los transistores de potencia.
Selección de: Q2, Q3, Q4, Q5, Q6
y Q7. Los transistores Q2 a Q7 serán los
encargados de suministrar la corriente de hasta 30 amperes entre todos, para lo cual se
seleccionaron transistores que cumplieran las siguientes características: fueran dispositivos
diseñados para potencia lineal, de uso general, tipo NPN, que su corriente máxima de
colector estuviera entre 10 y 15 amperes, su encapsulado se pudiera encontrar en forma
TO-3 (para mayor disipación de calor) y que fuera un dispositivo de baja frecuencia.
Después de comparar características y precios de algunos transistores disponibles en el
mercado local se opto por el transistor tipo NPN 2N3055, cuyas características son las
siguientes: transistor de baja frecuencia de tipo NPN de silicio epitaxial-base plana (Figura
3.12), con encapsulado TO-3, el cual está destinado a los circuitos de conmutación de
potencia, reguladores serie y de derivación, y etapas de salida de alta fidelidad en
amplificadores de audio. Tiene una ICMax de 15 A, una hFE máxima de 70 y su VCEO es de
60 V.
Figura 3.12 Transistor 2N3055 con encapsulado TO-3 utilizado
para fuente regulada de voltaje variable de alta corriente.
Conexión de transistores. Los transistores de potencia se pueden conectar en serie o en
paralelo. La conexión en serie se utiliza para aumentar la capacidad de manejo de voltaje.
Es importante que para un funcionamiento adecuado en esta configuración todos los
52
transistores conectados, se activen y desactiven de manera simultánea, de lo contrario el
dispositivo más lento en la activación y el dispositivo más rápido en la activación quedaran
sujetos al voltaje completo del circuito (colector emisor) y por consecuencia puede ser
destruido el dispositivo por sobre voltaje.
La configuración en paralelo se utiliza cuando un solo transistor no es capaz de manejar
la demanda de corriente de la carga. Para que la corriente se distribuya de manera equitativa
en cada uno de los transistores, estos deben tener la misma ganancia, el mismo voltaje de
saturación, y los mismos tiempos de activación y desactivación. Pero en la práctica no es
siempre posible cumplir con estos parámetros. Para obtener una distribución de corriente
razonablemente equitativa (de 45% a 55% para dos transistores) se conectan resistencias en
serie con las terminales de emisor como lo muestra la Figura 3.13 [23].
Figura 3.13 Conexión en paralelo de transistores bipolares.
En este diseño, para obtener la corriente de salida, requerida por el usuario, se utilizaron
seis transistores NPN (2N3055) en configuración paralelo, como lo muestra la Figura 3.14.
23
Salvador Martínez García, Juan Andrés Gualda Gil,(2006). Electrónica de potencia, componentes, topologías y equipos. Madrid:
THOMSON
53
Figura 3.14 Muestra los seis transistores conectados en paralelo,
Debido a la alta corriente que circula por cada uno de los transistores, el tipo de
resistencias (R2 a R7) utilizadas en serie con el emisor de cada uno de los transistores es de
alambre.
Las resistencias de alambre son construidas con alambre de aleación níquel-cromo o
algún otro material con características similares. El alambre es enrollado en un soporte de
cerámica y después cubierto con un material aislante para proteger el alambre y darle
resistencia contra golpes y corrosión. Esta clase de resistencias está diseñada especialmente
para soportar altas temperaturas sin alterar significativamente su valor.
Figura 3.15 Resistencia de alambre.
Como se puede observar en la Figura 3.15, el valor óhmico de este tipo de resistencias
no esta especificado por un código de colores si no que este se encuentra impreso sobre el
cuerpo de la misma, así mismo se encuentra impresa la potencia de disipación que esta
54
puede soportar; la Figura 3.16 muestra las resistencias de .18Ω a 25wat utilizadas en esta
fuente.
Figura 3.16 Resistencias utilizadas para la
fuente regulada de voltaje variable de alta corriente.
La Figura 3.17 muestra el diagrama final de la fuente.
Figura 3.17 Diagrama final de la fuente regulada de voltaje variable de alta corriente
3.6 Cálculo y selección del disipador de calor para los transistores
2N3055.
Para determinar el tamaño de un disipador de calor, en función de su área, se debe
conocer el parámetro térmico RSA, el cual es el valor de la resistencia térmica del disipador
55
al ambiente y esta dado en ˚C/W; este esta mostrado en la Figura 3.18, en dicha figura TA
es la temperatura ambiente en ˚C; PA es la pérdida de potencia del dispositivo en W; Tj es
la temperatura de unión en ˚C/W; RJC es la resistencia térmica de la unión a la carcasa en
˚C/W; y RCS es la resistencia térmica de la carcasa al disipador en ˚C/W.
Figura 3.18 Análogo eléctrico de la transferencia de calor
Para calcular RSA a una temperatura ambiente conocida se utiliza la ecuación 3.12[24].
R SA =
T J −T A
PA
− R JC − R CS
(3.12)
Las características térmicas Tj y RJC son proporcionados por el fabricante, sin embargo
los parámetros PA, TA y RCS que no son proporcionados por el fabricante deberán ser
obtenidos.
Los valores de: RCS, P A y TA se obtienen de la siguiente manera. El valor RCS se obtiene
de la tabla que muestra la Figura 3.19, de acuerdo a esta tabla RCS puede tener uno de
cuatro valores y este estará determinado, primero, por el tipo de encapsulado del transistor,
y luego, por la manera en cómo es montado al disipador de calor: directa sin mica; directa
24 Luis Esquiroz Bacaicoa, Constantina Alvarez Peña.(1990) Electrónica de potencia. España: Universidad de Oviedo
56
más pasta silicona; con mica ó con mica más pasta silicona. Para este proyecto de tesis se
utilizaron transistores con encapsulado tipo TO-3 y fueron montados al disipador utilizando
mica y pasta silicona, por lo tanto el valor de RCS obtenido de acuerdo a esta tabla es de
0.7˚C/W. [25]
Figura 3.19 Tabla de valores para RCS.
Para determinar el valor de PA se utiliza la ecuación 3.13[26], aquí se considera que la
corriente máxima será de 30A cuando se tenga un voltaje máximo de 5V, por lo que
desarrollando la ecuación 3.13, el valor de PA es de 150 W.
PA =V. I
(3.13)
PA = (5V). (30ª)=150 W
Hasta ahora se han obtenido todos los valores necesario para obtener RSA mediante la
ecuación 3.12 para un solo transistor, sin embargo como en este diseño se utilizan seis
25 Luis Esquiroz Bacaicoa, Constantina Alvarez Peña.(1990) Electrónica de potencia. España: Universidad de Oviedo
26
Eugene Hecht (2004) Fundamentos de Física México. THOMSON.
57
transistores es necesario encontrar los valores de , RJC, RCS para la configuración de los seis
transistores conectados en paralelo.
Para simplificar el análisis y encontrar el valor de las resistencias térmicas RJC y RCS de
los seis transistores de potencia, estas se tratan como si fueran resistencias eléctricas, así
entonces estas se pueden esquematizar como lo muestra la Figura 3.20-a. Es decir primero
se sumaron como resistencias en serie los valores de RJC y RCS y posteriormente las
resistencias equivalentes obtenidas se trataron como resistencias en paralelo, dando como
resultado una resistencia equivalente de 0.37 como lo muestra la Figura 3.19-b.
Figura 3.20 diagrama esquemático de a- las resistencias térmicas de
los transistores en paralelo y b-su equivalente.
Una vez conocidos los valores de, PA y TA, y el equivalente de RCS y RJC para los seis
transistores, considerando que TA será de 30˚C, ya que el disipador se pondrá en el lado
exterior del gabinete de la fuente
[ 27 ]
, se puede finalmente calcular R SA utilizando la
ecuación 3.12, quedando de la siguiente manera:
27 Luis Esquiroz Bacaicoa, Constantina Álvarez Peña.(1990) Electrónica de potencia. España: Universidad de Oviedo
58
𝟐𝟎𝟎−𝟑𝟎
RSA=
𝟏𝟓𝟎
-0.37=.76˚C/W
Con el valor de RSA obtenido y considerando la forma de la carcasa de la fuente, se
selecciono el disipador modelo E280 fabricado por la compañía CTS Electronic
Components, Figura 3.21. La residencia térmica de este disipador de calor es de 0.9˚C/W,
este valor es el más próximo al cálculo de diseño, su base es plana, es de color negro para
una mayor disipación de calor, está fabricado en aluminio extruido y su forma se adapta de
una manera correcta a la carcasa de la fuente.
Figura 3.21 Disipador de calor modelo E280
de la compañía CTS Electronic Components.
Figura 3.22 protipo de la fuente rgulada de voltaje bariable de alta corriente.
59
CAPITULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 Pruebas preliminares.
Las pruebas preliminares de la fuente se realizaron en una tina para gravado
electrolítico, rejilla de acero inoxidable (cátodo) electrolito (agua destilada, con sulfato de
hierro), y placas de fierro de 70 X 120 cm listas para ser grabadas, los “Artistas
Veracruzanos bajo La Ceiba A. C”, proporcionaron estos materiales que fueron instalados
en la facultad de instrumentación electrónica y ciencias atmosféricas en el salón 11, estas
pruebas fueron prolongadas y exhaustivas y ayudaron a examinar, modificar y adecuar el
diseño de la fuente, durante
estas
pruebas surgieron los
problemas descritos a
continuación.
La resistencia óhmica muy pequeña.
La resistencia óhmica del electrolítico fue muy inferior a la resistencia tomada para el
diseño de la fuente, para este caso se había diseñado con resistencia de un ohm, sin
embargo este tenia una resistencia extremadamente baja inferior a un ohm por lo que no se
podía medir directamente con el multimetro digital por lo cual se utilizo la ley de ohm
conociendo el voltaje y la corriente de 5v y 20 A aplicados.
Temperaturas elevadas en el puente rectificador
En la etapa de rectificación uno de problemas a solucionar fue la de utilizar un puente
rectificador que soportara la corriente de 30 A, para esto en un principio se utilizo el puente
de diodos KBPC5006 pero la temperatura que alcanzo el dispositivo al utilizarlo fue
60
excesiva aun cuando este se monto sobre el disipador como lo sugería el fabricante, lo cual
causo que el dispositivo se calentara y se dañara por lo que se opto por utilizar diodos
automotrices de marca Delco modelo DR5042, y con capacidad de manejar hasta 60
amperes cada uno.
Medición de voltaje y corriente.
Uno de los problemas también fue la manera de poder medir la corriente a la salida, para
esto en un principio se utilizo un amperímetro automotriz. Las lecturas que este dispositivo
proporcionaba no eran tan legibles, por lo cual se compraron medidores de voltaje y
corriente análogos y se adaptaron a la fuente como lo muestra la Figura A.1.
Figura 4.1 Medidores de voltaje y corriente añadidos
a la fuente regulada de voltaje variable de alta corriente
4.2 Resultados obtenidos.
El periodo de pruebas se llevo acabo en dos etapas, en la primera etapa se realizaron
pruebas preliminares, estas se cumplieron con la finalidad de ajustar el diseño exactamente
a los requerimientos del usuario, y fueron practicadas en la Facultad de Instrumentación
Electrónica y Ciencias Atmosféricas (para una lectura detallada de éstas consultar el
apéndice A), la segunda etapa de pruebas se llevo acabo en los talleres de los “Artistas
61
Veracruzanos bajo La Ceiba A. C.”, y tuvieron como propósito la puesta en operación del
producto terminado, y la verificación de que la fuente es capaz de suministrar la corriente
necesaria para realizar el proceso de electrolisis.
Para la realización de esta etapa de pruebas se utilizó; una tina para grabado electrolítico,
una rejilla de acero inoxidable (cátodo), electrolito (sulfato de hierro disuelto en agua
destilada) y placas de hierro preparadas para ser grabadas, Figura 4.1, todo esto,
proporcionado por los investigadores de la A. C. “Artistas Veracruzanos bajo La Ceiba”.
Figura 4.2 Tina, rejilla y placa para grabado electrolítico proporcionadas
por la A. C. Artistas Veracruzanos bajo La Ceiba,
Las pruebas para verificar si la fuente es capaz de suministrar la corriente necesaria para
el grabado de placas por electrolisis, se llevó a cabo grabando dibujos en bajo relieve sobre
placas de fierro, estas placas fueron en tamaños de 70 X 120 cm y de 75 X 75 cm, todas con
un espesor de 5mm. Los periodos de prueba fueron de 10, 15 y 20 minutos sobre cada una
de estas placas. Durante el proceso de grabado se monitorearon continuamente
comportamiento del voltaje y la corriente de salida de la fuente, así como la temperatura del
disipador de calor donde montaron los transistores de potencia.
62
Cabe mencionar que la prueba que los artistas le hicieron a la fuente consintió en
obtener los grabamientos de mental deseados por ellos
A continuación se presentan imágenes de las pruebas realizadas.
En la Figura 4.2 se muestran las pruebas realizadas con la fuente de corriente a una
tensión de salida regulada a dos volts sobre placas de 75 X 75 cm, en las cuales se trazaron
líneas con el objetivo de conocer la profundidad con que se realizaba la “mordida” al metal
en un periodo de 60 minutos.
La Figura 4.3 muestra una placa de 75 X 75 cm utilizada para determinar la porosidad de
la “mordida” en superficies mayores a 2cm cuadrados. Para esta prueba la placa se dividió
en cuatro secciones. La primera sección fue expuesta al proceso de electrolisis durante un
tiempo de 30 minutos, la segunda a 60, la tercera a 90 y la cuarta a 120 minutos
respectivamente, dando como resultado que las secciones que estuvieron mas tiempo
expuestas al proceso de grabado eran mas porosas comparadas a las que tenían menos de
una hora de exposición, durante esta prueba la fuente de corriente se utilizo una tensión
ajustada a dos volts a la salida.
En la Figura 4.4 se muestra una tabla que se realizo posterior a la elaboración de las
pruebas de profundidad y porosidad en las placas de metal de 75 X75 cm con 5mm de
espesor, en esta tabla se observa las diferentes intensidades que logra tener el metal, en
periodos de 10, 15 y 20 minutos, siempre y cuando la fuente de corriente este a una tensión
regulada de 2 volts.
F
63
Figura 4.3 Arriba muestra las pruebas para determinar la profundidad de la linea en el metal con el proceso de elctrolisis,
utilizando la fuente dieñada.
64
Figura 4.4 Arriba muestra una placa de 75 X75 cm dividida secciones que se tilizo para determinar la porosidad obtenida atraves
del proceso de electrolisis en periodos de 30 minutos.
Figura 4.5. Muestra la tabla obtenida posterior a las pruebas que ayudara para facilitar el uso de la fuente ya que se observan las
diferentes intensidades de porosidad , en periodos de 10, 15 y 20 minutos.
65
Con estas pruebas se comprobó que la fuente es capaz de suministrar la corriente
necesaria de 20 Amperes ,para realizar el proceso de electrolisis, dando como resultado
una “mordida” satisfactoria, para los “Artistas Veracruzanos bajo La Ceiba A. C”, sobre
placas de fierro de 75 X 75cm.
Con lo expuesto en los capítulos anteriores se puede determinar que se cumplieron con
los objetivos y alcances esperados, ya que la fuente entrega los niveles de voltaje y
corriente necesarios para el proceso de grabado electrolítico solicitados por los “Artistas
Veracruzanos bajo La Ceiba A. C”.
66
CONCLUSIONES
Finalmente el diseño y construcción de fuente regulada de voltaje variable de alta
corriente se termino, dando así respuesta a una necesidad presentada por la A. C. “Artistas
Veracruzanos bajo La Ceiba” que requieren una fuente con voltajes menores a 5 volts y 30
Amperes, para la realización de sus obras de arte.
A lo largo del desarrollo de este trabajo se lograron adquirir y ampliar varias
competencias como; el trabajo en equipo, aplicación de los conocimientos adquiridos en la
carrera, el conocimiento del proceso de grabado electrolítico, los principios de operación en
los que trabajan las fuentes de alimentación, y las características de cada uno de su
componentes, además se ampliaron habilidades manuales como la del proceso de soldado
con uso de un cautín, así como el manejo de equipo de laboratorio.
Con la realización de este proyecto, se demuestra que la electrónica ayuda a
implementar tecnologías en diversos campos, para facilitar la realización de diferentes
actividades, en este caso fue el área de las artes y específicamente en el proceso de grabado
electrolítico evitando así utilizar ácidos que generan gases toxico o residuos contaminantes
como las agua tintas, de esta manera también se contribuye al cuidado del medio ambiente.
67
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2.- Real academia española. http://lema.rae.es/drae/?val=litografia
Ultima visita en 22.02.2013.
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68
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14.- Luis Esquiroz Bacaicoa, Constantina Álvarez Peña.(1990) Electrónica de potencia.
España: Universidad de Oviedo
15. Eugene Hecht (2004) Fundamentos de Física México. THOMSON.
69
APÉNDICE A. HOJAS DE DATOS.
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83