Resistencias de carga para electrónica

Funcionamiento y usos de las cargas electrónicas, destinadas a comprobar los sistemas de alimentación cuando entregan su máxima potencia, ya sean conectados a la red eléctrica como a baterías. Las resistencias de carga permiten comprobar la corriente máxima que soporta un cargador de baterías, medir el rizado y ruido de una fuente de alimentación a plena carga, comprobar la capacidad real de baterías y pilas, etc. Se realizan pruebas y medidas con tres resistencias de carga diferentes, una resistencia de carga convencional, otra electrónica de construcción casera… y la última también electrónica, de 150W controlada por microprocesador.

Diferentes usos de las resistencias de carga

En un taller de electrónica, ya sea de tipo profesional o aficionado, son muy útiles las resistencias de carga. Las resistencias de carga permiten comprobar y ajustar equipos de RF, sin tener que montar una antena y radiar frecuencias no permitidas.

Cargas de RF

Pero no sólo son útiles este tipo de resistencias de carga, en este caso me voy a centrar en las resistencias de carga que se utilizan para simular consumos en sistemas de alimentación y comprobar su correcto funcionamiento, o su autonomía si se trata de un sistema de alimentación con baterías.

Cargas electrónicas de corriente constante

Cuando la resistencia de carga se va a utiliza para comprobar sistemas de alimentación, ya es posible incluir circuitos de control  por ancho de impulso (PWM) o analógicos, con el fin de mantener una corriente de descarga constante en baterías, sin importar que se vaya reduciendo su tensión con el tiempo.

Curvas de descarga de baterías Li-ion

Así  se podrá medir la capacidad real de una batería o pila, fijando un valor fijo de corriente de descarga, con tan sólo cronometrar el tiempo que ha tardado en alcanzar su tensión mínima (batería descargada). La capacidad de una batería es un parámetro muy importante, y los fabricantes  rotulan su valor en Amperios/hora (Ah) o miliamperios/hora (mAh), dependiendo de la capacidad y tipo de batería.

Hace tiempo medí la capacidad real de una serie de baterías nuevas, con el fin de comprobar la tolerancia que existía con el valor que declaraba el fabricante. Ya suponía que siendo unas baterías de origen chino, su capacidad real podría ser mucho más baja del valor que indicaban en la cubierta. Lo que no me imaginaba es que esa diferencia pudiera ser tan grande…

Medidas de la capacidad real de algunas baterías

Para hacer estas medidas construí una carga electrónica de corriente constante, que permite funcionar con tensiones que varíen entre 1 y 60 voltios, manteniendo la corriente constante al valor que se fije mediante sus dos potenciómetros de ajuste. En el diseño, la corriente máxima la limité a 3A, porque la disipación que le puse no era muy buena, a pesar de que el transistor que monté podría soportar hasta 15 amperios.

Carga de corriente constante, con valores máximos de 60V y 3A

Si estás interesado en conocer el funcionamiento de una carga electrónica de corriente constante, o quieres conocer más detalles para fabricarte una con muy pocos componentes, lee el siguiente artículo:

Construye una carga electrónica

Carga electrónica de 150W

Actualmente se pueden encontrar a la venta multitud de cargas electrónicas de corriente constante, a un precio muy asequible (<20€). En realidad no merece la pena comprar los componentes para montar una carga electrónica, cuando se pueden conseguir ya montadas a un precio inferior al que habría que pagar si se compran los componentes sueltos. Bajo mi punto de vista, el único interés que podría tener montar una carga electrónica componente a componente, sería por afición o con fines educativos. Como norma general, cualquier dispositivo electrónico que se pueda comprar en una tienda, siempre saldrá más barato comprarlo que fabricar uno igual… y eso dejando aparte el acabado final.

Carga electrónica de corriente constante, hasta 150W

Características

  • Tensión de alimentación: 6 ~ 12VDC
  • Medida de tensión: 0 ~ 150VDC   precisión: 0,05 V
  • Medida de corriente: 0 ~ 10A precisión: 0,05A
  • Medida de potencia:  0 ~ 150W
  • Medida de energía : 0 ~ 99999,9Wh precisión: 0,01Wh
  • Medida de potencia: 0 ~ 2999,9 W precisión: 0,01 W
  • Medida de Impedancia: 0 ~ 999,9Ω precisión: 0,01Ω
  • Rango de temperatura: 0 ~ 99 °C precisión: 1 ℃
  • Ajuste de tensión máxima y mínima con alarma: 0 ~ 150VDC
  • Ajuste de corriente máxima con alarma: 0 ~ 10A
  • Ajuste de potencia máxima con alarma:  0 ~ 150W
  • Medida de capacidad: 0 ~ 999,999Ah precisión: 0,001Ah
  • Tiempo máximo: 999:59:59 precisión: 1s
  • Potencia de refrigeración del ventilador: <150W
  • Temperatura para el arranque del ventilador: > 40 ℃

Configuración y funcionamiento

El manual de funcionamiento que se incluye en esta carga de 150W, se podría catalogar como suficiente, pero es mejorable. Después de practicar un rato con los menús y configuraciones, llegas a acostumbrarte, pero creo que el fabricante debería haber puesto como mínimo dos pulsadores en lugar de uno. Con un sólo pulsador para todo, es muy fácil confundirse y hacer justamente lo que no quieres. (Modo irónico: ON) Es posible que el diseñador de esta carga fuera en su juventud telegrafista, y está muy acostumbrado a codificar letras a base de pulsaciones (Modo irónico: OFF).

Con el fin de que no se me olvide el modo de acceder a todos los menús, hice un diagrama a modo resumen en una hoja, y la tengo guardada junto con la carga. Así será mucho más fácil cuando la tenga que utilizar dentro de un tiempo, y ya no me acuerde de nada.

Diagrama de funcionamiento y configuración, de la carga electrónica de 150W

Marco de sujeción para el LCD

Un fallo de diseño de esta carga, es la falta de sujeción del display LCD dentro de su alojamiento. Al girar la carga se desprende el display y se queda colgando de la cinta flexible de conexiones. Para solucionar este problema he fabricado un marco en PLA, con la impresora 3D, para sujetar el display en su soporte. Este marco entra a presión, evitando que se mueva el display de su alojamiento, protegiendo al mismo tiempo su cinta de conexión con el PCB.

Si quieres fabricar esta marco de protección con una impresora 3D, puedes descargar el fichero .STL desde el siguiente link:

Clamping frame for the LCD of the 150W electronic load resistor

¿Necesitas fabricar un PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay. Hasta un 30% de descuento para PCBs especiales, con fabricación en 24 horas.

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Soldadura de doble punto

Montaje de un kit de soldadura de doble punto, alimentado con una batería de 12V reciclada de un automóvil. Este soldador permite unir pletinas de hasta 0,15 mm de sección, muy útil para construir los paquetes de baterías que llevan como alimentación algunos dispositivos electrónicos. Construcción y montaje de una carcasa de protección para el módulo controlador, construida con una impresora 3D. Pruebas de funcionamiento del soldador, modificando la potencia y soldando pletinas de níquel de 0,1 y 0,2 mm.

Tenaza de soldar por puntos

Soldadura por puntos

La soldadura por puntos se basa en presión, intensidad y tiempo. En esta soldadura se calienta una parte muy pequeña de las piezas a soldar mediante el paso de corriente eléctrica, alcanzando temperaturas próximas a la fusión, y se ejerce una presión entre ambas piezas. Este tipo de soldadura es muy utilizado en la industria de automoción para unir chapas o láminas metálicas entre si,  normalmente de espesor entre 0,5mm y 3mm. Los mejores resultados se obtienen cuando las dos chapas tienen el mismo grosor.

Soldadura por puntos
Soldadura por puntos

Etapas de las soldaduras por puntos

  • Colocación de las chapas a soldar entre ambos electrodos.
  • Acercamiento de los electrodos en las chapas ejerciendo presión.
  • Soldadura: tiempo que está circulando la corriente eléctrica.
  • Forjado: tiempo transcurrido hasta el levantamiento de los electrodos.
    Etapas de la soldadura por puntosEtapas de la soldadura por puntos

Tiempo de soldadura

La generación de calor es directamente proporcional al tiempo de soldadura. Debido a la transferencia de calor de la zona de soldadura a los metales base y a los electrodos, así como a la pérdida libre de calor de la superficie al entorno, se necesitará una corriente y tiempo mínimo. Cuando se detiene la corriente, las puntas de cobre enfrían la soldadura por puntos, haciendo que el metal se solidifique bajo presión.

Fuerza de soldadura

Las piezas de trabajo deben ser comprimidas con cierta fuerza en la zona de soldadura para permitir el paso de la corriente. Si la fuerza de soldadura es demasiado baja, la expulsión puede ocurrir inmediatamente después de iniciar la corriente de soldadura, debido a que la resistencia de contacto es demasiado alta, dando como resultado una rápida generación de calor.

Cables tipo AWG

Los equipos de soldadura por punto pueden ser fijos o portátiles. Los equipos portátiles suelen incorporar los electrodos en la misma máquina, a modo de tenaza. Estas tenazas son de gran sección y baja resistencia eléctrica (alta conductividad), debido a la alta corriente que debe circular y con el fin de minimizar al máximo las pérdidas.  En algunos casos es necesario separar la máquina de la tenaza, y se utilizan unos cables de conexión entre ambos. En estos casos, los cables deberían ser lo más cortos posible y de gran sección. A continuación se muestra una tabla con las características de los cables tipo AWG, normalmente utilizados para este fin.

Tabla de características de los cables AWG

Soldadura de doble punto

La soldadura de doble punto se utiliza cuando no se tiene acceso con los electrodos a las dos caras de unión, como sucede cuando tenemos que unir un número determinado de baterías en serie o paralelo. Para obtener buenos resultados con una soldadura de doble punto, el espesor de la chapa inferior tendría que ser igual o mayor al de la chapa superior, evitando así las pérdidas debidas a un exceso de calentamiento en la chapa inferior.

Corriente en la soldadura de doble punto

 

Principales defectos en la soldadura por puntos

  • Intensidad demasiado alta: penetración demasiado profunda y agujeros.
  • Intensidad demasiado baja: mala resistencia de la unión.
  • Presión demasiado alta: marcas profundas en las chapas.
  • Presión demasiado baja: salpicaduras y agujeros.
  • Tiempo de soldadura demasiado largo: baja calidad del punto y agujeros.
  • Tiempo de soldadura demasiado corto: mala resistencia de la unión.

Diferentes estados de un punto de soldadura

Características de los metales en la soldadura por puntos

Las aleaciones rojas y bronces fósforos se sueldan mejor. Los metales y las aleaciones de distinta naturaleza se pueden soldar, pero si sus temperaturas de fusión no son muy diferentes.

  • Níquel y sus aleaciones se sueldan fácilmente con una intensidad muy elevada.
  • Aluminio, magnesio y sus aleaciones pueden soldarse a condición de que se emplee una corriente muy intensa durante un tiempo muy corto, y se controle rigurosamente la cantidad de energía suministrada.
  • Latón se suelda más fácilmente que el aluminio, aplicando una corriente elevada durante un tiempo corto.
  • Zinc y sus aleaciones son delicadas de soldar por su baja temperatura de fusión.
  • Cobre es imposible de soldar con cobre. En mejor de los casos, la soldadura es muy mala.

Temperatura de fusión de los metales

  • Estaño: 232°C
  • Plomo: 327°C
  • Zinc: 420°C
  • Magnesio: 650 ºC
  • Aluminio: 650°C
  • Bronce: 880° ··· 920°C
  • Latón: 930°··· 980°C
  • Plata: 950°C
  • Oro: 1054ºC
  • Cobre: 1083°C
  • Hierro fundido: 1220°C
  • Manganeso: 1244ºC
  • Metal monel: 1340°C
  • Acero de alto carbono: 1370°C
  • Silicio: 1410ºC
  • Acero inoxidable: 1430°C
  • Níquel: 1450°C
  • Cobalto: 1495ºC
  • Hierro: 1535°C
  • Titanio: 1650ºC
  • Vanadio: 1730ºC
  • Platino: 1770ºC
  • Cromo: 1900ºC
  • Molibdeno: 2610ºC
  • Tungsteno: 3380°C

Equipo de soldadura de doble punto, para construir paquetes de baterías

Para soldar baterías, normalmente se utilizan chapas de níquel con secciones comprendidas entre 0,1 y 0,2 mm. El tiempo de conexión de una soldadura por puntos tiene que ser muy preciso. Para este tipo de soldaduras, el tiempo varía entre 3 y 10 ms, y depende de la corriente necesaria para fundir el metal que se vaya a soldar, sin llegar a perforarlo. Como es lógico, los valores de corriente y tiempo de conexión dependerán de la sección y tipo de chapa que utilicemos.

Chapas de níquel

Las soldaduras por puntos se realizan provocando un cortocircuito en la fuente de alimentación, y tan importante es controlar la temperatura de fusión del metal a soldar, como proteger su fuente de alimentación, limitando los tiempos de conexión y el intervalo mínimo entre soldaduras consecutivas.

Soldadura de doble punto con transformador

Hay muchas maneras de hacer soldaduras por puntos, se pueden utilizar transformadores y soldar con tensión alterna, o utilizar baterías o súper condensadores y soldar con tensión continua. Lo más importante es utilizar el controlador adecuado, a la tensión y corriente de la fuente de alimentación que utilicemos. Para soldar con tensión alterna se suelen utilizar transformadores reciclados de hornos microondas, sustituyendo el devanado de AT por un par de espiras de cable de gran sección.

También se podría utilizar un equipo de soldadura por arco convencional, los de transformador. No sirven los equipos de soldadura de tipo inverter, porque precisamente estos equipos incorporan un sistema para evitar que se pegue la varilla cuando se inicia la soldadura, y cortan la tensión cuando se produce un cortocircuito.

Kit de soldadura de doble punto, para alimentarlo con una batería de 12V

Para soldar con tensión continua, aprovechando la batería de 12V que he sustituido en el coche, he comprado un kit que incluye todo lo necesario:
– Placa controladora
– Cables de conexión
– Dos electrodos de cobre para hacer la soldadura

Kit de soldadura de doble punto, para alimentarlo con una batería de 12V.

Carcasa de protección para el PCB

He fabricado una carcasa de protección en PLA, con la impresora 3D, para evitar posibles  cortocircuitos cuando el equipo de soldadura está alimentado.

Carcasa 3D

Si quieres fabricar esta carcasa con tu impresora 3D, puedes descargar el fichero .STL desde el siguiente link: Protective housing for a controller module of a double point welding kit

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Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay. Hasta un 30% de descuento para PCBs especiales, con fabricación en 24 horas.

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