Diseño y fabricación de una caja a medida, cortando las piezas con la ayuda de una fresadora digital (CNC). El diseño de las piezas lo hice con el software SketchUp. Tuve que corregir el archivo que genera SketchUp para poder utilizarlo en la CNC. Para comprobar el código ‘G’ y corregir el archivo, utilicé el simulador por software CAMotics
Con el fin de controlar los display’s de 7 segmentos SMD que tengo, he mandado fabricar otro circuito impreso para montar la CPU.
Esta CPU está basada en el micro-controlador AT89S52 de ATMEL. Como este micro-controlador se puede programar sin desmontarlo del circuito impreso, a través de su interface ICSP, he elegido el encapsulado de tipo SMD. El circuito impreso tiene una altura muy parecida a la del display de 7 segmentos, y la idea es la de fabricar una caja de madera a medida, para construir un display con 4 dígitos.
SketchUP
Para cortar las piezas de madera con precisión, he utilizado una fresadora digital (CNC). Para dibujar las piezas a medida y poder exportar los datos a la CNC, he utilizado el software SketchUp.
A pesar de que este software funciona muy bien, he encontrado un problema a la hora de generar los archivos de código ‘G’. Los archivos contienen una serie de instrucciones adicionales que dañan las piezas a fabricar. Para localizar el lugar exacto donde se encuentran estas instrucciones para eliminarlos, he utilizado otro software que emula el funcionamiento de la CNC.
CAMotics
El software CAMoticspermite la ejecución del código ‘G’ de forma visual, y esto facilita la localización de las instrucciones que se deben eliminar.
El software permite la edición de los archivos y su posterior visualización, para comprobar que los cortes que hará la CNC sean los correctos.
Construcción de la caja
Después de la fase de diseño de la caja y conversión de sus datos en código ‘G’, el trabajo de corte y fresado de todas las piezas lo realiza la CNC. Si queremos obtener un buen acabado y precisión, es importante que los cortes se realicen en capas, no en una sola pasada.
También es importante incluir unas pequeñas zonas en cada cara de las piezas, en las que la fresadora no realice el corte por completo. Estos pequeños puntos de sujeción evitarán que se muevan las piezas de su estructura durante el corte, evitando su desplazamiento y marcado por la fresa.
Una vez cortadas todas las piezas que componen le caja, incluido su frontal de metacrilato, la pegamos con cola blanca (dejando la tapa lateral derecha sin pegar). La tapa lateral derecha irá sujeta con 2 tornillos, y es la que nos dará el acceso al montaje y desmontaje de todos sus componentes en el interior. Para obtener un buen acabado, se sellan las juntas de todas las uniones que van pegadas, con cola blanca y serrín de la misma caja, suavizando todas las aristas con una lija especial para madera.
Para terminar se pinta la caja en color negro mate, con pintura en spray, y se comprueban los soportes colocando los circuitos impresos en su lugar y cerrando la caja.
El circuito impreso (PCB) es una parte muy importante para cualquier dispositivo electrónico. Antes de lanzar un nuevo producto al mercado, siempre es necesario comprobar el correcto funcionamiento de su circuito electrónico. En algunos casos sería suficiente comprobar el circuito en un simulador con software; sin embargo, siempre es conveniente realizar el montaje con todos sus componentes y lo más parecido posible al diseño final.
Existen muchos métodos para comprobar de forma rápida el correcto funcionamiento de un circuito electrónico:
Placas ProtoBoard, uniendo los componentes con cables
Circuitos impresos de tipo universal, realizando sus conexiones con puentes y cables soldados en el PCB.
Fabricación del circuito impreso, utilizando cualquier método de trasferencia y atacando el PCB con ácido.
Fabricación del circuito impreso con una fresadora digital (CNC)
El problema de utilizar cualquiera de estos métodos, es que nunca podremos montar los circuitos con componentes de montaje superficial (SMD). Por suerte, ahora hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos para prototipos y a precios muy asequibles. Como sucede en la mayoría de los casos con la electrónica, las empresas chinas son las más competitivas. El problema de realizar un pedido a China, es el largo tiempo que tenemos que esperar para recibir el prototipo, sumado al alto precio de sus envíos. Sin embargo, buscando por Internet siempre puedes encontrar alguna oferta. Ahora, como la empresa JLCPCB tiene una oferta muy interesante, la voy a aprovechar para encargar algunos circuitos impresos.
¿Quién es JLCPCB?
JLCPCB es una de las empresas de prototipos de circuitos impresos (PCB) más grandes de China, especializada en la fabricación de prototipos y producción de circuitos impresos en pequeños lotes. JLCPB cuenta con una experiencia de más de 10 años, trabajando para grandes empresas y aficionados a la electrónica.
¿Qué nos ofrece JLCPCB?
Una especial oferta en el primer pedido. Por tan sólo 2$ podemos obtener un lote de 10 PCB para fabricar nuestro primer prototipo a doble cara, y con acabado profesional.
Respuesta muy rápida en la fabricación, hasta 24 horas.
Envíos rápidos, entre 3 y 6 días si se utiliza el envío con la empresa DHL
Encargos Online, los pedidos se pueden hacer desde el mismo PC que utilizamos para el diseño del PCB, subiendo los archivos Gerber por Internet a su Web: https://jlcpcb.com/
Respuesta rápida ante cualquier problema o asesoramiento técnico.
JLCPCB forma parte del grupo de empresas: Integrated Electronic Engeneering Service
Diseño de un display de 7 segmentos SMD, con control serie. Con este circuito se pueden apilar tantos dígitos en serie como sea necesario, porque el número de pines de control no cambian. En este circuito se utiliza el TPIC6B595 como registro de desplazamiento, y un 74HC04 (6 inversores) como ‘driver/separador’ de las señales de control: Clock, Strobe y Enable. Al utilizar un registro de desplazamiento (Shift Register), las señales de control (Clock, Strobe y Enable) son las mismas para todos los dígitos, y la línea de datos (Data) se conecta al primer dígito… encadenando la salida de datos de un dígito con el siguiente.
El diseño de este display de 7 segmentos es modular, y se pueden conectar tantos dígitos en serie como sean necesarios.
Cada dígito dispone de su propio regulador de tensión de 5V, pero sólo es necesario instalar uno para alimentar toda la serie. Las conexiones de la salida de un módulo se conectan con las de entrada del módulo siguiente, permitiendo así alimentar todos los módulos con un sólo regulador de tensión. Con el fin de evitar una carga excesiva de las señales de control (Clock, Strobe y Enable) y evitar posibles interferencias en el cableado, cada módulo dispone de un circuito que hace las funciones de ‘regenerador’ de la señal.
El circuito integrado 74HC04 dispone de 6 inversores, y se utilizan de dos en dos, con el fin de obtener el mismo nivel lógico de la entrada en la salida. El único detalle a considerar, es que la conexión de las 3 señales de control con el registro de desplazamiento (TPIC6B595) se realizan en las salidas del primer inversor. De esta forma, la CPU debería entregar las 3 señales de control: Clock, Strobe y Enable en modo invertido.
Control de brillo PWM (Pulse-Width Modulation)
El control de brillo del conjunto de módulos que conformen el display, se realiza mediante la gestión de la señal ENABLE. Modificando el ancho del impulso de una señal de frecuencia >20 Hz, con el fin de evitar el parpadeo, se puede ajustar el nivel de luminosidad del display.
En la imagen anterior se puede observar que la frecuencia de la señal PWM es de 104 Hz, y al aumentar el ancho del semiciclo positivo el brillo decrece (ver el video). Como es lógico, el brillo máximo se obtendrá si permanece habilitado el 100% del tiempo la señal ENABLE (sin impulsos). En el circuito integrado TPIC6B595 el estado ON se corresponde con un nivel bajo (cero lógico). El control de brillo PWM lo podría gestionar la propia CPU, partiendo de la información que recibiera de un sensor de luminosidad.
Construcción de un detector de tensión por inducción, fabricado con muy pocos componentes electrónicos. El detector de tensión por inducción sustituye al clásico destornillador buscapolos con lamparita de neón. La ventaja de este detector, es que además de poder localizar el hilo activo de la red (Fase) sin realizar un contacto eléctrico, puede utilizarse para localizar averías en cableados.
En realidad no merece la pena fabricar un detector de tensión inductivo, porque se pueden comprar por Internet a un precio muy reducido. Sin embargo, se podría montar un detector muy sencillo utilizando componentes reciclados y con fines experimentales.
Puede montarse el circuito básico, con la indicación óptica del diodo LED, o añadir la opción del aviso acústico incluyendo 3 componentes más: una resistencia, un transistor y un zumbador piezoeléctrico activo.
Funcionamiento
Este circuito capta y amplifica el campo electromagnético que emite la señal alterna de la red eléctrica (50-60Hz). La intensidad del campo electromagnético es proporcional a la tensión del elemento conductor e inversamente proporcional a su distancia. Por este motivo, la sensibilidad del circuito será mayor en una instalación de 230 VAC que en otra de 110 VAC.
El elemento captador consiste en un trozo de cable, conectado a la base de un transistor de tipo NPN. La unión base-emisor del primer transistor hace de diodo, rectificando y amplificando el semiciclo positivo de la señal alterna inducida. Como la señal es sinusoidal y la ganancia del transistor es alta, a la salida (colector) obtendremos una señal continua pulsante con la frecuencia de la red (50-60Hz) y con una amplitud y ancho de impulso variable, dependiendo de la distancia que exista entre el punto de tensión (Fase) y el elemento captador. En la siguiente imagen se puede observar la forma de onda que aparece en el colector del transistor de entrada, antes de montar el condensador de 100 nF.
El condensador de 100 nF filtra la señal alterna, convirtiendo la salida en una tensión continua de amplitud variable. Así cuando conduce el transistor de entrada se produce una corriente variable en las 2 resistencias (100K y 1M), provocando la conducción del segundo transistor (PNP). Al conducir el segundo transistor, el cuál hace la función de interruptor-regulador de tensión, se polariza el último transistor y se enciende el indicador LED. La intensidad del diodo LED varía ligeramente en función de la distancia entre el punto de tensión y el elemento captador. De esta manera es más fácil localizar el cable de Fase cuando se encuentre dentro de un mazo. Si se quisiera añadir una indicación acústica al circuito, se tendría que montar otro transistor más para que el zumbador funcionara correctamente.
Debido a la elevada ganancia del circuito, junto con su alta impedancia de entrada, este comprobador es muy sensible a posibles inducciones entre elementos. Dependiendo de la distancia entre soldaduras y tipo de circuito impreso utilizado, podría funcionar de forma errática.
Posibles causas del salto de un disyuntor diferencial cuando no estamos en casa. Detalles del funcionamiento de un disyuntor diferencial, monofásico y trifásico, comprobando su correcto funcionamiento. Sobretensión en una instalación trifásica cuando falla el neutro, y modo de proteger la instalación mediante un circuito de protección casero. Detalles de funcionamiento del módulo de control MT53RA, montado en un diferencial trifásico de 40A. Modos de funcionamiento de un diferencial rearmable, y comprobación del ciclo completo con sus tiempos de rearme.
Sistemas de protección eléctrica
En los cuadros de distribución eléctrica se instalan dos sistemas de protección:
Magnetotérmico: destinado a la protección de la propia instalación eléctrica y los equipos conectados.
Diferencial: destinado a la protección de personas frente a posibles descargas eléctricas.
Magnetotérmico
El interruptor magnetotérmico es un dispositivo diseñado para proteger tanto la instalación eléctrica como los aparatos conectados a ella. Los magnetotérmicos incluyen dos sistemas de protección:
Protección Magnética – respuesta rápida frente a cortocircuitos: Consiste en una bobina colocada en serie con la corriente que circula a través del interruptor/disyuntor. Esta protección se activa cuando circula una intensidad de corriente entre 5 y 10 veces superior a la nominal. Este margen evita que se dispare la protección durante la fase de arranque de algunos dispositivos de potencia (principalmente motores).
Protección Térmica – respuesta lenta frente a sobrecargas: Consiste en una lámina bimetálica, la cuál se curvará en mayor o menor medida en función de la cantidad de corriente que circule por ella, provocando así un disparo de respuesta lenta. El sistema de protección térmica se dispara cuando se sobrepasa la corriente nominal durante un tiempo, protegiendo así la instalación eléctrica por sobrecarga.
Diferencial
El interruptor diferencial tiene como misión evitar que una persona que toque un conductor de la instalación se pueda quedar electrocutada, al circular una intensidad de corriente peligrosa (>30 mA) a través de su cuerpo a tierra. En instalaciones de tipo industrial, cuando los equipos conectados no son manipulados por personas, la protección diferencial se instala para proteger los equipos frente a posibles averías, al circular la corriente a tierra cuando existe alguna derivación eléctrica (normalmente por humedad excesiva o inundación). En estos casos, la corriente de disparo por derivación puede superar los 30mA, y se suelen utilizar diferenciales de mayor corriente (normalmente 300 mA).
El interruptor diferencial se conecta al inicio de la instalación, con el fin de proteger a las personas cuando manipulan en el cuadro eléctrico (conectar o desconectar algún magnetotérmico). Un interruptor diferencial mide la corriente que entra y sale del circuito, para así determinar si entra y sale la misma intensidad. Esta medida se realiza con un pequeño transformador de corriente, compuesto por un anillo de ferrita, el cuál traduce en tensión la diferencia de flujo magnético que lo atraviesa, entre el hilo de Fase y Neutro (ver imagen anterior). Si existe una diferencia de corriente entre ambos hilos (Fase-Neutro) superior a la nominal (>30 mA), la tensión inducida en el bobinado secundario provoca el disparo del mecanismo que mantiene conectados los contactos entre la entrada y salida del diferencial.
El interruptor diferencial dispone de un pulsador Test, con el fin de comprobar su correcto funcionamiento. El pulsador conecta una pequeña carga entre el hilo de salida de la Fase y el de entrada del Neutro. Cuando se pulsa el botón, la corriente que circula por la resistencia (>30 mA) pasa a través del anillo toroidal en un solo sentido y se provoca el disparo del diferencial.
¿Por qué se dispara el diferencial de forma aleatoria?
La normativa actual obliga a los fabricantes de electrodomésticos a que sus equipos no inyecten ruidos radioeléctricos ni armónicos en la red. Por este motivo, todos los equipos modernos incorporan a su entrada un filtro de red. Este filtro pasivo de tipo ‘paso bajo‘ elimina cualquier interferencia o frecuencia armónica que pudiera producir el electrodoméstico. Los filtros de red eliminan estas señales mediante condensadores colocados entre ambos polos de la salida del filtro y tierra (ver imagen siguiente).
Dichos condensadores provocan al mismo tiempo una pequeña corriente de derivación a tierra, cada vez que conectamos un electrodoméstico en la instalación… y todas estas corrientes se suman creando una corriente residual y permanente en la instalación (<30 mA). El problema es cuando a la entrada del cuadro eléctrico no llega una señal pura, sinusoidal a 50/60 Hz y libre de armónicos. En estos casos, como los condensadores de los filtros de red permanecen conectados aunque los electrodomésticos estén sin funcionar, se produce un incremento en la corriente diferencial que circula a través del cuadro eléctrico… y se provoca el disparo del interruptor diferencial.
En un cuadro de distribución trifásico existe un riesgo añadido, y es el de sobretensión en caso de que falle la conexión del cable de Neutro. Si no existe una conexión del Neutro entre el centro de transformación (compañía eléctrica) y la instalación, se provoca un desequilibrio en las tensiones de las 3 fases (ver imagen siguiente).
Si las cargas entre fases no son idénticas, la tensión en cada fase cambiará en función de su carga. La fase que esté más cargada tendrá una tensión más baja de lo normal, y en la fase menos cargada subirá la tensión. Si esto sucede, lo normal es que los equipos conectados a la fase menos cargada empiecen a quemarse por sobretensión. Si los equipos averiados acaban por desconectarse de la red (rotura de fusibles o cables de conexión), la carga en dicha fase será todavía menor y como consecuencia aumentará la tensión en dicha fase… provocando una reacción en cadena hasta que se queme el último equipo conectado.
Aunque existen módulos de protección contra sobretensión para instalar en los cuadros eléctricos, como no tenía espacio libre, decidí fabricar una protección de tipo ‘casero’ para proteger los equipos frente a un posible fallo del Neutro.
Este sistema de protección consiste en provocar una corriente diferencial alta en la instalación, en caso de que la tensión en alguna de las fases supere los 270V. Se instala un circuito idéntico por fase. Cuando la tensión de entrada en alguna de las fases supera la tensión del varistor (250V) la corriente alterna rectificada por el diodo y condensador llega al relé de 24 VDC, provocando el cierre de sus contactos. La conexión entre Fase y tierra de la resistencia de 4K7 provoca una corriente diferencial >30 mA, se dispara el interruptor diferencial y se corta el suministro eléctrico.
Tipos de interruptor diferencial
Un interruptor diferencial puede ser monofásico (2 polos) o trifásico (4 polos), para una intensidad de corriente máxima determinada (25A, 40A, etc.) y para una corriente de disparo diferencial fija o variable. Los diferenciales de uso doméstico, pensados para la protección de personas, son de 30 mA. Aparte de estos parámetros básicos, existen diferentes ‘Clases’ dependiendo del tipo de respuesta y funcionamiento. Para uso doméstico, normalmente se utilizan las siguientes clases:
Clase AC: sólo detecta las fugas de corriente alterna, y son los que normalmente se instalan en las viviendas.
Clase A o inmunizado: incluyen la detección de corriente continua pulsante, y están pensados para evitar los saltos intempestivos más frecuentes.
Clase A «si» o superinmunizado: es un diferencial del tipo A mejorado. Evita las desconexiones intempestivas por corrientes de alta frecuencia y saltos intempestivos debidos a elementos externos a la instalación que protege.
El diferencial Clase A «si» o superinmunizado, aunque no está contemplado en la Reglamentación Electrotécnica de Baja Tensión (REBT) es la solución cuando se producen disparos frecuentes del diferencial sin motivo aparente. El único problema es que suelen incorporar como protección contra sobretensión varistores… y si se avería alguno, te tocará cambiar el diferencial completo. Teniendo en cuenta que existen módulos externos para proteger la línea contra sobretensión con filtros de RF, los cuáles se pueden intercalar a la entrada del diferencial, un diferencial de Clase A podría ser la mejor elección. En caso de que su protección no fuera suficiente, siempre se podrían montar protecciones y filtros externos… sin tener que comprar un diferencial nuevo.
Interruptor diferencial rearmable
Cuando se dispara la protección diferencial, en la mayoría de los casos se soluciona el problema con una simple reconexión manual, ya que no se trata de una fuga permanente. Si esto sucede cuando estamos de vacaciones, la falta de suministro eléctrico se puede convertir en un gran problema: los alimentos se estropean en el frigorífico, las plantas se secan por falta de riego, el sistema de alarma no funciona, etc. Un diferencial rearmable garantiza la continuidad del suministro eléctrico, evitando pérdidas económicas.
Módulo de reconexión MT53RA
El módulo de reconexión MT53RA es un módulo independiente del diferencial, y podría controlar un magnetotérmico o un diferencial, monofásico o trifásico, siempre que pueda acoplarse el mando del disyuntor con su leva de actuación.
El módulo MT53RA tiene que alimentarse desde la entrada del disyuntor a controlar, ya que necesita estar alimentado cuando se dispara la protección. Este módulo puede controlarse a distancia mediante 2 pulsadores, permitiendo la conexión o desconexión cuando está en modo Automático. Cuando se actúa en algún pulsador, se deshabilita el rearme automático. Para volver a modo Automático, es necesario pasar a modo Manual y volver a modo Automático (Reset).
El MT53RA puede funcionar en modo Manual o Automático, y dispone de una tercera posición de bloqueo, que permite bloquear el mando para que no se pueda accionar de forma involuntaria. En esta posición, por la parte inferior del mando aparece un orificio para bloquer el mando con un candado o brida, y evitar riesgos cuando se están efectuando trabajos eléctricos en la instalación.
En mi caso, como ya tenía montada la protección ‘casera’ contra sobretensión y no salta el diferencial con demasiada frecuencia, he optado por montar un interruptor diferencial de Clase A rearmable. De esta manera no tendré que preocuparme cuando salte el diferencial sin estar en casa, porque se rearmará solo… y en caso de avería (3 rearmes consecutivos en menos de 6 minutos) se desconectará de forma permanente protegiendo la instalación.
