Buenas de nuevas a todos, hoy os quiero presentar un nuevo proyecto, como reza el título del tema, os quiero presentar mi nuevo soldador por puntos por descarga capacitiva.
MEMORIA DESCRIPTIVA: Desde hace ya algunos años vengo trabajando con baterías de litio tipo 18650, a falta de material las soldaba como todo hijo de vecino en electrónica, soldador de 30w y estaño y cables o unos Tabs de níquel que compré por Aliexpress. Desde luego la parte del polo negativo era lo que mas costaba soldar, se volvía un sufrimiento porque el soldador no desarrollaba el suficiente calor y la mayoría del que generaba se perdía en la pila calentándola. En todos los foros no se recomendaba este tipo de soldadura porque estropeaba las baterías. Así que me dedique a ver los precios de maquinas que soldaran las lengüetas a la baterías, viendo que su precio rondaba los 180€ de marca china, ademas se unía el problema de siempre, si la maquina moría, te podías olvidar de intentar repararla. Las maquinas profesional su precio era prohibitivo y mas cuando el uso que le iba a dar era ocasional. Así que empece a surfear por Internet días,semanas... viendo proyectos de todo tipo de soldadores por puntos.
Primera opción vista: Utilizando el "típico" transformador de microondas (a lo bestia) aunque controlado por triac el disparo y algunos utilizaban un circuito con programación. Lo descarté debido a lo voluminoso, pesado y poco control de la potencia y precisión, ademas de tener que trabajar con tensiones elevadas en el primario.
Segunda opción: Utilizando condensadores. Esta opción me llamó más y me gusto también más, debido a que trabajamos en todo momento con tensiones bajas, salvo algunos proyectos donde la tensión de trabajo de los condensadores se lleva hasta los 100v (aprovechando la formula E=1/2.C.V² como se dispone de pocos faradios la otra opción es elevar voltaje para obtener mas energía.
En esta segunda opción había dos categorías de control o disparo. Una era utilizando un tiristor SCR de potencia el típico que vende por ebay o Aliexpress de 100A (SCR 100A, 1600V KP100A). Esta fue la primera idea que lleve a cabo utilizando varios condensadores que tenia por hay en total hacían 470.000µF a 25v, compre el tiristor y vamos a probar.
Los resultado para soldar tabs eran aceptables a partir de 10v, buenos a partir de 12v, pero no tenía control del tiempo del pulso que aplicaba, simplemente porque descargaba el condensador toda su energía en el punto de soldadura. Luego tocaba cargar los condensadores y a la carga...era tedioso y poco práctico. Después de soldar menos de 10 veces olvidé este proyecto.
Fuera parte de los problemas expuestos leí que lo recomendable en un soldador por puntos era que generase dos pulsos, el primero -mas corto- de 1 a 10msg servia para deshacer la suciedad o partículas entre los dos elementos a soldar, el segundo mas largo entre 5 a 100 o 200msg era el que realmente unía las piezas y entre P1 y P2 un tiempo de descanso.
La proporción entre P1
2 ronda entre 1:4 a 1:8 (P1:2msg ; P2:16msg) y el D (Descanso) suele ser 1:2 (P1: D) todo según la pagina web que consultas y también depende de los materiales a soldar y el voltaje que aplicas a los condensadores, grosor de las laminas a soldar...
Ejemplo: P1=2.5msg, D=5msg, P2≈(entre 15msg a 20msg).
Esta claro que desde luego esos valores depende del soldador por punto que veas y cada uno configura unos parámetros acorde a lo que va a soldar.
Bueno, la otra opción vista para el control del disparo es utilizando un micro-controlador programado, con unos potenciómetros controlas los parámetros P1-D-P2 incluso algún proyecto visto incluso controlas la carga y descarga de los condensadores para fijar la tensión de trabajo de estos. El proyecto me gusto mucho pero por desgracia y siendo honesto no se programar micro-controladores aunque estoy en ello, lo que pasaba era que pensaba, ¿para que queremos ese control tan preciso y visual de los parámetros cuando la mayor parte del uso que le vamos a dar sera para soldar tab a baterías (99%) y los parámetros se quedaran fijos?. El proyecto ademas se encarecía por los medios empleados o que simplemente yo no dispongo de ellos.
DESARROLLO PROYECTO: Buscaba algo sencillo, entonces lo primero para mi proyecto era elegir los condensadores, donde en muchos proyecto rondaban entre 1F a 5F utilizando supercondensadores con bornes (precios caros), mi proyecto debería ser lo mas barato posible y con materiales de fácil localización y reposición. Al final me decanté comprando por ebay un lote de 10 supercondensadores de 500F cada uno /2.7v Resistencia: 2.5mΩ (total de los 10 supercondensadores unos 33€) ahora los puede comprar en aliexpress de forma individual (la oferta de ebay desapareció) por casi el mismo precio 3,3€/ud aunque solo necesitas 8 por lo que sale mas barato. Dichos condensadores descargan unos 275A durante un corto periodo(GreenCap-EDLC se puede ver video en YouTube “
”).
Para el proyecto formé 4S2P 10.8v max (sobran 2 condensadores). En ningún momento rebaso los 10v. Teóricamente generaría una descarga de 550A a 10v. La energía almacenada a 10v de trabajo sería: E=1/2.C.V² = ½.500F.(2.5)² = 1562,5Julios x 8 condensadores= 12500 Julios
Ahora toca unir los condensadores en configuración 4S2P de tal forma que optimice el paso de la corriente y no haya perdidas y al mismo tiempo ocupe el menor espacio posible. Para tal fin elegí unos tubos de cobre de los utilizados en los aires acondicionados, los cuales aplasté con un torno o prensa de mano quedando como láminas. Preparé una base común a todos los condensadores de cartón espeso y sobre ellos coloque las laminas de cobre con taladros de 2.5mm para pasar los pines del condensador. Debido al grosor del cobre tuve que utilizar un mini-soplete para ayudar al estaño, de esa manera al calentar el cobre no está en contacto con los condensadores y aíslan térmicamente el calor para no dañarlos.
Una vez que tuve formado el paquete que descarga la energía tocaba pensar en si debía ecualizar la tensión de estos condensadores cuando se cargaban, para lo cual vendían unos circuitos para tal fin… pero vi que estos circuitos valían mas de la mitad de lo que me costo los condensadores, así que lo descarte y pensé otra solución que mas adelante expondré.
Bueno, ahora toca la búsqueda de los MOSFET, aquí es otro mundo, mas teoría… donde la Rds de los MOSFET debe ser la mas baja posible y debes unir tantos MOSFET en paralelo como Rds necesites, la resistencia que presenta entre los puntos de soldadura debe ser el elemento que mayor resistencia presente del todo el circuito, la resistencia de los MOSFET, la resistencia de los cables y la de los electrodos utilizados deben ser la mas baja posible e inferior a la que presenten entre los dos electrodos para maximizar el paso de la corriente y no “cepillarnos los MOSFET”. Los elegidos por mi fueron los IRFB7430P de 40v con una Rds típica de un 1mΩ y una corriente máxima de 409A y efectiva limitada por los terminales de 195A cada uno. En total compré 20 uds y los utilicé todos para mi circuito, quedando una Rds total de 50uOhm por un precio en ebay de 5,24€/LOTE 10uds gastos de envió gratis(
http://www.ebay.es/itm/172065909235?_trksid=p2057872.m2749.l2649&ssPageName=STRK:MEBIDX:IT ) ahora viene el guapo que los controla, el driver MOSFET. Los 20 MOSFET se distribuyen en 4 grupos de 5 por lo que necesitaré 4 driver MOSFET de lado bajo que provean una gran cantidad de corriente para activar la puerta y trabajen bien y rápido con elevados Ciss de los MOSFET, pero claro deberá ser barato de conseguir y fácil así que me decanté por los UCC27322EP (package D- 8 pines, compré 10 para tener para otros proyectos también) hasta 9A de corriente pico por 8,03€ /LOTE 10uds en Aliexpress.
Ahora toca desarrollar el circuito, el corazón del sistema, me propuse los mismos principios, barato y sencillo. Deberá generar dos pulsos y un descanso entre ellos, los 3 parámetros deberán ser regulables y modificables fácilmente en el futuro, necesitaba también un disparador o pulsador.
El pulsador había visto en ciertos proyectos por internet que lo hacían insertando o pegando un micropulsador de forma aislada en uno de los electrodos que agarraban con la mano, pero esa opción la probé en mi anterior proyecto con el tiristor y no era buena, porque hacer presión con el electrodo y al mismo tiempo presionar el pulsador no iba bien. Preferí hacerme un pulsador de pie con un pulsador y unos trozos o retales de madera de balsa, lo pinte le puse unas gomas y perfecto.
He de decir que el circuito que os muestro no coincide exactamente con el que veréis en el proyecto final ya que después de diseñar la pcb con Proteus añadí en la placa unos puntos de toma de masa y alguna cosa mas no relevante para el funcionamiento del circuito, algunos puntos mas para verificar la señal a lo largo del proceso o aislar la parte final que generaba los pulsos de la entrada a los driver mosfet. La salida de los driver-MOSFET pasa por resistencia limitadoras de 10ohm hacia cada uno de las Gate. Los tres potenciómetros son multivuelta y están a la venta muy baratos en ebay o Aliexpress.
El funcionamiento del circuito no lo explico porque creo que es sencillo su funcionamiento, solamente decir que el pulsador genera un impulso de disparo mucho mas corto que el tiempo mínimo del pulso P1.De tal forma que si se quedara pulsado o bloqueado el pulsador (porque se averíe) el impulso es independiente a ese factor, hasta que no se desbloquee el pulsador o se deje de pulsar no se volverá o dejará generar ningún pulso adicional o provocar que se alargue el pulso por quedar pulsado mas tiempo. En paralelo a los cables que van hacia el pulsador de pie e insertado un diodo verde que nos dice que esta preparado para un nuevo disparo. Los cables que van hacia el pulsador de pie van blindados para protegerlos de disparos fortuitos inducidos (he utilizado un cable de los utilizados para prolongar los auriculares estereo).
La colocación de los MOSFET fue otro quebradero de cabeza porque no sabia si poner disipadores o no, en algunos proyectos los ponían demasiado grandes, en otros no los ponían, al final puse unos pequeños de aluminio sacados de una plancha de pelo, pero os puedo decir a día de hoy que no son necesarios en absoluto, incluso haciendo un uso intensivo. También tuve que colocarlos para que ocuparan el menor espacio posible y condujeron la corriente de la forma mas efectiva y con menor perdida. No están soldados a las laminas de cobre sino que hacen contacto como si fueran un sandwich entre las dos láminas de cobre y los separa un trozo de madera aislante de 2mm de grosor, los tornillos están aislados con funda termoretractil y separadores plásticos rígidos (recortados de cualquier sitio).
Entre el Drenador y Surtidor he colocado 2 diodos (antes utilice el 5KP18A) uno TVS 14v (5KP14A) en Aliexpress el lote de 10uds por 6,02€, y un diodo Shottky de 65A/15v (65PQ015). Otros 2 diodos Shottky en paralelo entre los terminales de los electrodos (polo positivo del condensador y el Drenador) quedando 65Ax2 (130A) 4,9mΩ/ud (2,5mΩ en paralelo x2) en Aliexpress lote de 5 uds por 3,61€ (la opción de utilizar el 100BGQ015 se dispara de precio una unidad).
Bueno ahora nos queda resolver el problema de como cargamos los condensadores y mantener el voltaje que fijemos para trabajar de forma casi constante y continua. Como siempre opción barata y fácil, y como podréis ir viendo el diseño se esta volviendo modular. Para el proceso de carga he elegido un convertidor DC-DC buck con limitador de tensión y corriente hasta 5A máximo y hasta 30v de salida con potenciómetros multivuelta. (Aliexpress por 1,77€/ud) lo he fijado a 3A máximo de limitación de corriente y le he prolongado el rotor del potenciómetro para seleccionar el voltaje y así poder ajustarlo según necesidad (de esa forma evito tener que poner otro potenciómetro mas grande y elevar el gasto). De esta manera puedo alimentarlo con una tensión de entrada de hasta 32v para cargar los condensadores y poder utilizar por ejemplo 3 pilas de litio y hacerlo portátil o utilizar una fuente de alimentación externa manteniendo siempre los condensadores en el voltaje fijado, de esa manera aunque realicemos soldaduras y los condensadores pierdan algo de carga en cuestión de menos de un segundo le recupera la carga. Actualmente tengo fijada la tensión de los condensadores a 8v para soldar Tabs o lengüetas a baterías, tornillos, acero...con una penetración excelente. En este punto debo decir que durante el trabajo a 8v la variación de voltaje en los diferentes condensadores en serie es poco, del orden de 60mV o menos. Al finalizar la soldadura el circuito de carga se encarga de descargar (auto-consume) los condensadores quedándolos a 0V todos y así para el próximo uso parten todos iguales. El único problema que conlleva el suo de este circuito debido a que la salida del polo negativo pasa por una resistencia limitadora que es la que controla el nivel de corriente que debe dejar de pasar es que no puedo alimentar el circuito de disparo con la misma fuente con la que cargo los condensadores ya que sus masas no son comunes debido a esta resistencia. Por lo que la alimentación del circuito de disparo se realiza a través de 10 pilas AAA 800mAh las cuales me generan unos 13.5v de alimentación,mediante un interruptor (de color rojo enciendo o apago el circuito).
Se que podría alimentarlo todo con la misma fuente de alimentación, si en vez de utilizar pilas saco una toma de la que utilizo para cargar los condensadores y la hago pasar por un convertidor dc-dc 12v-12v aislado (B1212S-1W), de esa forma obtendría la misma tensión que en la entrada pero aislada y así si podría utilizar una sola fuente de alimentación. El problema de estos convertidores aislados es que el rango de trabajo de la tensión de entrada es muy reducido.
He añadido un doble medidor de voltaje y amperímetro para visualizar la tensión en todo momento de los condensadores así como la carga en amperios que le entra, su precio en Aliexpress es de 2,81€.
A tener en cuenta: En la foto que adjunto tomada desde un osciloscopio con una sonda colocada a unos 10cm de distancia de los cables que llevan a los electrodos, se inducen unos picos de tensión de 500mVpp con una descarga de soldadura a 8v. Para atenuar dicho problema y reducir dicha inducción se han blindado los cables recubriéndolos con 4 capas de papel de aluminio rodeado en espiral con cable de cobre por toda su extensión, de ese blindaje se saca un cable que deriva a masa de los cables que van a los electrodos. Los cables utilizados por no disponer de los ideales son 4 cables AWG12 de unos 30cm, con electrodos de cobre formados por 2 capas o láminas de cobre de 1mm de espesor cada una, unidas y formando un triangulo con un ángulo de unos 20º. Lo ideal seria utilizar electrodos de aleacción cobre-tungsteno 30/70.
Al principio del proyecto antes de poner los diodos shottky esto es lo que pasaba de vez en cuando hasta en 3 ocasiones cuando el voltaje superaba los 7.5v.Ver foto del transistor mosfet reventado.
El P2 puede anularse en este circuito simplemente poniendo a 0 el potenciómetro del P2 quedando solo un pulso de disparo. Una vez sale de 0ohm el potenciómetro de P2 se recupera el segundo pulso.
El soldador como puede verse en las fotos es capaz de soldar por puntos láminas o chapas del grosor de las hojas de cutter e incluso algo con mas espesor, y eso funcionando con pulsos P1=5msg D=5msg P2=25msg.
Este es el final, le dejo un enlace para descargar un video y ver como realiza las soldaduras por punto
https://mega.nz/#!rEJAzQTS!8eXm8t7RsC2i4nqnMfWpH0DgPlI2FMj0xGhB34YVvd4
