Mini soldador por puntos


En post anteriores  hablábamos en este blog de las posibilidades de los  supercondensadores , los cuales no son ni mas ni menos  que condensadores de mayor capacidad    a partir de  1 Faradio.

A diferencia   de  las baterías  que almacenan energía en una reacción química, y debido a esto, los iones se insertan realmente en la estructura atómica de un electrodo, como en el caso de los condensadores  los iones simplemente “se adhieren” se  puede almacenar energía sin reacciones químicas permitiendo asi que los súpercondensadores se carguen y descarguen mucho más rápido que las baterías y ademas  sin sufrir el desgaste causado por las reacciones químicas  teniendo una durabilidad mucho mayor  al no estar condicionados por los ciclos de carga y descarga

La soldadura  por  puntos  lleva con nosotros unos 40 años, pero a pesar de su antigüedad   sigue  gozando de buena reputación en los nuevos tiempos usándose de forma intensiva  también en aplicaciones de electrónica  donde la soldadura convencional con estaño no es efectiva, como   por ejemplo  a la hora  de conectar baterías entre si con laminas de níquel (por ejemplo las famosas  celdas 18650) ,   entre  sus miles de aplicaciones más.

En esencia la tecnología de la soldadura por  puntos  no es nada compleja , pues  la  configuración típica de un soldador de puntos no ha variado a  lo largo de los años,  consistiendo básicamente en  una fuente de muy baja tensión (entre 3 y 15V) de alta intensidad   conectada a un cabezal para soldar.

Desgraciadamente, a pesar de que no incluye demasiada tecnología, un soldador de puntos es uno de los pocos equipos donde la construcción casera  de este  es mucho  más barata que comprarlo montado,  incluso si se decide a comprarlo en alguno de los famosos  portales chinos, ya que incluso comprándolos  allí , su precios van entre los 200€ en adelante. Si no  estamos dispuestos  a desembolsar esa cantidad otra opción es fabricar un soldador de puntos  nosotros mismos  pues  en la red  se pueden ver  una gran cantidad de diseños de soldadores de puntos basados en viejos transformadores de microondas , a los que  se les elimina el secundario de AT  por medios mecánicos y simplemente se rodea en el interior del entre-hierro  en ese espacio que ha quedado vació de  dos vueltas de cable de gran sección ( al menos de 8 mm).

MiniSoldador de puntos basado en  supercondensador

Construir un soldador de puntos basándose en condensadores  por tanto  es la forma mas habitual de  y fácil de construirlo    a un precio bastante asequible.

Estas configuraciones funcionan  durante  mucho tiempo y normalmente   son  mucho mas optimas y eficientes  que los soldadores basados en transformadores de microondas modificados que como hemos comentado albergan cierto peligro.

La alta temperatura destruye las baterías de litio, por lo que la soldadura  tradicional térmica no es una opción, así que esta configuración  es perfecta  , y justo . es por eso  que hay personas que la llaman “soldadura fría” .

El circuito propuesto,  es bastante sencillo, pues simplemente  se basa en un simple circuito de carga a corriente constante basado en una resistencia   y supercondensador de 350F/2.7V

El circuito es completando con un led con su correspondiente resistencia limitadora para indicar que el condensador esta cargado ,   así como unas puntas   de cobre afiladas  que van conectadas directamente al condensador

minisoldador.png

Los componente usados para este  montaje , por tanto, son los siguientes:

  • Supercondensador de 350F  de 2.7V. Corriente y voltaje   2.85V  y Corriente máxima máxima: 203A.P puede ser hecho con otros supercondensadores.Es un dispositivo muy importante para poder hacer una  soldadura perfecta.
  • Led rojo
  • Resistencia de 0.1 ohm y 5W
  • Resistencia 220ohm  1/4W
  • Bateria de ion-Li de 2.7 a 2.9V
  • Dos hilos rigidos  de cobre de 1mm de sección o mas para  soportar la alta corriente
  • Barras de cobre: Pueden ser  barras de cobre y latón pero lo ideal es que esten afiladas para transmitor la maxima corriente en el minimo espacio a la hora de la soldadura.

El montaje de estos componentes es bastante sencillo , pudiéndose incluso realizar las conexiones directamente sobre el propio super-condensador

Este circuito al no tener ningún elemento de control   ( como en el circuito propuesto con MOSFET que realizamos en este blog ) requiere  de cierta practica para controlar los tiempos necesarios para realizar la soldadura.

Por supuesto al utilizar el circuito  debe tener la máxima precauciones de seguridad debido a la gran capacidad del condensador, pero sobre  todo , se recomienda  dejar descargado el condensador  cruzando los terminales si no se va  a usar el circuito

El modo de trabajo  es similar  a otros circuitos basados en super-condensadores:

  • Use  una bateria completamente de ion-Li  cargada para cargar el supercondensador
  • Pulse   entre 5 a 10 Minutos  para cargar completamente el supercondensador
  • El led rojo brillara  indicando que la carga del condensador esta alrededor de 2V
  • El led brillara intensamente señal que esta preparado para soldar
  • Use una  fina lamina de niquel para unir las baterias 18650
  • Apriete con fuerza el niquel con los bornes de las baterias
  • Use la  punta del electrodo para realizar la soldadura  de puntos primero tocando  con un extremo  y luego de forma momentánea con el otro
  • Debe liberar el contacto rapidamente

A continuación en el siguiente vídeo podemos ver todos  los  pasos  a la hora de construir este simple pero eficaz mini-soldador de puntos ideal para  soldar  baterías 18650  o incluso otras  operaciones de soldadura  donde se requiera soldar elementos metálicos de poca sección.

 

Watimetro con Arduino


Realmente construir un watimetro no es demasiado  complejo cuando hablamos de corriente continua , por ejemplo pensando en una instalación fotovoltaica , pues basta  simplemente en recordar  la formula física de la  Potencia(P)   , la cual es el producto de la tensión instantánea(voltios) por la intensidad  (Amp ) , es decir  P = V x I ,  expresándose la unidad de potencia en  Watt o KW
Pero la potencia  en watios,  no expresa  ensimismo  potencia energética, por lo  que se recurre  al  producto de la potencia (vatios)  por el tiempo (en horas) , es  decir  E = P x t , expresándose  la unidad de energía que  todo conocemos como  vatios hora(Wh) o kilovatios hora (kWh).

Si unimos ambas formulas sustituyendo el valor de P obtenemos E =Px t= (V xI) x t , es decir  el producto de la tensión  e intensidad por el el tiempo

Precisamente pues de la ultima fórmula anterior queda claro que para medir la energía que necesitamos tres parámetros:

  1.  Tensión
  2.  Intensidad
  3.  Tiempo

Veamos pues como  obtener estas valores con un Arduino  para obtener en tiempo real en un display lcd  la potencia en kwh de un sistema en cc

En el siguiente  video podemos ver el proyecto funcionando, incluso enviando datos al IoT  con  Xively (esta opción ya no esta disponible para aficionados)

Medida de tensión

El voltaje se puede medir con la ayuda de un circuito divisor de tensión  formado  por dos resistencias iguales  . Como el  voltaje de entrada en cualquier pin analógico de ARDUINO esta limitado a 5V por se logica TTL , el  divisor de voltaje servirá para  que el voltaje de la salida de ella sea menor que 5V y no queme la electronica interior.

Por ejemplo para una batería  que se utilice para almacenar la energía de un  panel solar de  6v  y   5.5Ah  de capacidad , tendríamos que bajar la  tensión desde 6.5v a una tensión menor que 5V para no estropear el Arduino.

Si usamos R1 = 10k y R2 = 10K  nos da una corriente pequeña 6.5v/(10k+10K)=0,325mA .

Es cierto que se podrían  tomar valores de R1 y R2    inferiores, pero el problema es que cuando la resistencia es menor  mayor corriente  pasas  a través de ella generando como resultado gran cantidad de energía  disipada en forma de calor(recuerde  que P = I ^ 2R) . por tanto el valor de las resistencias  puede ser elegido diferente pero debe tenerse cuidado para reducir al mínimo la pérdida de energía a través de las resistencias.

El resultado de la tensión entre una de las resistencias y masa seria igual a R xI =10k  x 0.325mA=3.25v que es inferior a 5v y, tensión soportada sin problemas  para el pin analógico de  ARDUINO

Calibración de voltaje:

Cuando la batería está completamente cargada (6.5v) obtenemos una Vout = 3.25v y ese seria el valor  que iría al  convertidor analógico digital  de un puerto analógico  de  Arduino

Si tenemos que medir los 3.25v desde el divisor de tensión   obtendremos un valor aproximado de 696 en el monitor serial (  sample1 es el valor de ADC corresponde a 3.25v)  .

Precisamente con ese valor o tendremos que extrapolar  que 3.25v  es equivalente a 696,  1 es equivalente a 3.25/696=4.669mv    por lo que podemos usar  estas dos reglas:

Vout = (4.669 * sample1 ) / 1000 voltios
voltaje de la batería real = (2 * Vout) voltios

Con el siguiente código de Arduino  podemos obtener el valor de tensión:

/ / tomar 150 muestras de divisor de tensión con un intervalo de 2 segundos y medio samples data collected for(int i=0;i<150;i++)
{
sample1=sample1+analogRead(A2); //leer  el voltaje del circuito divisor
delay (2);
}
sample1=sample1/150;
voltage=4.669*2*sample1/1000;

Medición de intensidad

Para mediciones de intensidad  es típico usar una resistencia en serie  de poco  valor con la carga  y medir la diferencia de potencial entre los extremos   de esta  y luego calcular   la intensidad gracias a la la ley de ohm (I=V/R  ) donde como vemos   dividiríamos este valor por el valor en ohmios de la resistencia

El efecto Hall se basa en  la producción de una diferencia de potencial(el voltaje de Hall) a través de un conductor eléctrico, transversal a una corriente eléctrica en el conductor y un campo magnético perpendicular a la corriente.

Afortunadamente actualmente existen CI especializados  como   son  los   sensores de corriente basados en efecto Hall ACS 712

Existen comercialmente  sensores de la gama ACS712  para  diferentes  rangos de corrientes máximas , así que se debe escoger este  según su requisito,como por ejemplo para una corriente máxima de 20 A.

ACS712.png

En el  esquema vemos un LED como una carga ( aunque  la carga real sera diferente) .

Tambien vemos el  ACS 712 (soporta  20Amps DC)  ofreciendo una una salida analógica 100mV/A

Tambien es destacar la alimentación del Arduino  cuya salida alimenta a través de la placa de prototipos a la ACS712

La calibración  es muy sencilla :
La lectura analógica  produce un valor de 0-1023, equiparando a 0v a 5v analógico .Leer 1 = (5/1024) V = 4.89mv
Valor = (4,89 * valor analógico leído) / 1000 V,  pero según hojas de datos offset 2.5V (cero corriente obtendrá 2.5V del sensor de salida)
valor Actual = (valor 2.5) V
corriente en amp = valor real * 10

Código de ARDUINO:

/ / tomando 150 ejemplos de sensores con un intervalo de 2 segundos y luego media de los datos de las muestras recogidos
for (int i = 0; i < 150; i ++)
{
+= sample2 analogRead(A3);  //  leer la corriente de sensor
delay(2);
}
sample2 = sample2/150;
=(5.0*sample2)/1024.0; 
actualval = val-2.5;  //tensión de offset es 2.5v
amperios = actualval * 10;

 Medición del tiempo

Para la medida del tiempo no se necesita ningún hardware externo, pues ARDUINO en sí mismo tiene contador de tiempo incorporado.

La función millis() devuelve el número de milisegundos desde que la placa Arduino comenzó a ejecutar el programa actual.

Código de ARDUINO:

long milisec = millis();  // calcular el tiempo en milisegundos
long time=milisec/1000; // convertir de milisegundos a segundos

 Calculo de la potencia y energía

Estas son las formulas basicas empleadas por el fw  en Arduino:
  • totamps = totamps + amperios;  //calcular amperios total
  • avgamps = totamps/tiempo;  // promedio de amps
  • amphr =(avgamps*time)/3600;  // Ah
  • Watts = voltaje * amperios;  //Potencia = Voltaje * corriente
  • energía =(watt*time)/3600;  // Vatios-seg vuelve a convertir en Watt-hora dividiendo 1hr(3600sec)
  •  energy=(watt*time)/(1000*3600); //para la lectura en kWh

completo.jpg

Todos los resultados se pueden visualizar en el monitor serial o mediante una pantalla LCD   de 16 x 2 caracteres para mostrar todos los resultados obtenidos en los pasos anteriores.

El conexionado del LCD sigue la conexión estandar de 4 pines para la linea de  datos mas las señales de control RS,RW  y Enable

Asimismo también es necesario un trimer de 10k  para el contraste de la pantalla

Resumidamente estas son pues las conexiones para el lcd

LCD -> Arduino
1. VSS -> GND de Arduino
2. VDD -> Arduino + 5v
3. VO -> Arduino GND pin + resistencia o potenciómetro
4. RS -> Arduino pin 8
5. RW -> Arduino pin 7
6. E -> pin Arduino 6
7. D0 -> Arduino – no conectado
8. D1 -> Arduino – no conectado
9. D2 -> Arduino – no conectado
10. D3 -> Arduino – no conectado
11. D4 -> Arduino pin 5
12. D5 -> Arduino pin 4
13. D6 -> Arduino pin 3
14. D7 -> pin Arduino 2
15. A -> Pin 13 de Arduino + resistencia (potencia de luz de fondo)
16. K -> Arduino GND (tierra de luz de fondo)

A continuación este es el  código de ejemplo para sacar por el monitor serie  los valores calculados

Serial.Print (“tensión:”);
Serial.print(voltage);
Serial.println(“Volt”);
Serial.print (“actual:”);
Serial.print(amps);
Serial.println(“Amps”);
Serial.print (“potencia:”);
Serial.print(watt);
Serial.println(“Watt”);
Serial.print (“energía consumida:”);
Serial.print(energy);
Serial.println(“Watt-Hour”);
Serial.println(“”);  //imprimir los siguiente conjuntos de parámetro después de una línea e
delay(2000);
Para manejar el  LCD tiene que primero importar la biblioteca de “LiquidCrystal” en el código.
A continuación este es el  código de ejemplo para sacar por el display  lcd  los valores calculados:
#include
lcd (8, 7, 6, 5, 4, 3, 2);
luz int = 9;
void setup()
{
pinMode (luz de fondo, salida); //set pin 9 como salida
analogWrite (contraluz, 150); //controls la intensidad de luz 0-254
lcd.begin(16,2); / / columnas, filas. tamaño de pantalla
LCD.Clear(); claro la pantalla
}
void loop()
{
lcd.setCursor(16,1); / / establecer el cursor fuera de la cuenta de pantalla
lcd.print(“”); imprimir carácter vacío
delay(600);
impresión de potencia y energía que un LCD / / /
lcd.setCursor(1,0); coloca el cursor en la columna 1 y fila 1

LCD.Print(Watt);
lcd.print (“W”);
lcd.print(voltage);
lcd.print(“V”);
lcd.setCursor(1,1); coloca el cursor en la fila 1 columna y 2 º
lcd.print(energy);
lcd.print (“WH”);
lcd.print(amps);
lcd.print(“A”);
}

 

Componentes

A continuación por ultimo algunos de los componentes necesarios para llevar a cabo este circuito:

 

1. ARDUINO UNO  (unos 9€ en Amazon)


3. Display LCD de 16 x 2 caracteres LCD (en Amazon con I2C  menos de 5€ )

4. ACS 712 SENSOR de corriente .Rango de corriente: 30A; Tamano: 31 x 13mm / 1.2 “x 0.5” (L * W) ( en Amazon unos 2€ )


Varios : resistencias de 10k v2,resistencia de 330ohm, POTENCIÓMETRO de 10K ,cables puente , placa de prototipos,etc

 

Algunos detalles sobre la batería de los automoviles Tesla


Todos los vehículos  Tesla son accionados únicamente por la carga eléctrica almacenada en su baterías por que  son llamados vehículos eléctricos de batería o BEVs siendo la razón de la existencia de Tesla como  empresa , es decir simplemente gracias a que las baterías de iones de litio que usan estos vehiculos  tienen la mayor capacidad de carga de cualquier formulación práctica de la batería en la historia , por el coste y potencia  lo suficientemente alta como para hacer práctica BEVs.

 

Las baterías de iones de litio

La idea para el uso de celdas de batería recargables de iones de litio primero fue propuesta por un químico británico en la década de 1970   y realmente ha sido un exito total hasta nuestros días pues esta practicante en cualquier  dispositivo electrónico ( smartphones, relojes, bicicletas eléctricas, etc)

Son dispositivos aparentemente simples que constan de tres componentes básicos: dos electrodos, el ánodo negativo y el positivo cátodo separados por un químico “sopa”, llamado electrolito. Cuando estén cargadas las baterías de iones de litio, los iones de litio se ven obligados a migrar hacia el electrodo negativo donde se depositan. Durante la descarga, los iones de litio invertir dirección para el cátodo ( puede consultar mas detalles sobre de desarrollo de la célula de litio ion batería en este artículo de la Wikipedia) y un vídeo de  la televisión muestra NOVA (véase abajo) dedicada  a  las células de ion de litio en 2017  que demuestra las ventajas asi como los peligros asociados con las células de ion de litio..

 

 

 

Tesla ha estado utilizando 18650 células fabricadas por Panasonic en Asia en los coches de los modelos S y X desde 2013. Estas son las celdas de la batería pequeña, ligeramente más grandes que las baterías  AA estándar. Las células cilíndricas de Tesla son 18 mm de diámetro y 65 mm de alto. El diseño de la Panasonic, tal vez con el aporte de Tesla, es por algunos relatos de las formulaciones más robustas disponibles hoy en día en rendimiento,durabilidad y  funcionamiento confiable en el riguroso ambiente automovilístico.

El más popular paquete de baterías suministrado por Tesla contiene 7.104 células 18650   capaces de almacenar hasta 85 kWh de energía. Pero  no acaba mas que en empezar pues ya en el año 2015 Panasonic alteró el diseño del ánodo, aumento de la capacidad de la célula por cerca de 6%, permitiendo a los paquetes de baterías almacenar hasta 90 kWh de energía. Más recientemente, los ingenieros de Tesla reconfiguraron el funcionamiento interno de la batería para mantener 516 células en cada módulo para un total de 8.256 células capaz de almacenar un poco más de 100 kWh de energía que permite a los coches llegar  a disfrutar de una autonomía  de más de 300 millas.

Con el fin de mejorar la eficiencia de las células y costos ,Tesla ha construido una fábrica grande de la batería en Sparks, NV cerca Reno llamado Gigafactory 1 que está produciendo un nuevo diseño de célula llamado el 2170 porque es 21 mm de diámetro y 70 mm de alto para usarse inicialmente en  productos de almacenamiento en el hogar (la Powerwall Powerpack)  o  el nuevo sedán modelo 3, diseñado para ser más pequeño y menos costoso que el modelo S. El diseño basado en celdas 2170 es 46% menor en volumen que los basados en celdas 18650 y 10-15% más eficientes que las 18650 células, según J. B. Straubel, director técnico de Tesla.

 

Carga

Uno de los requisitos clave para las baterías del coche eléctrico, especialmente en viajes por carretera, es que necesitan recargarse relativamente rápidamente. Puesto que las baterías son dispositivos de corriente continua (DC) y ene  casa el sumunistro o eléctrico es de CA, la carga utiliza un circuito de 240 voltios 40 amperios de abastecimiento (cerca de 10 kW de potencia). El coche incluye  el circuito de carga  ( circuitería que rectifica la CA),la  cual  de  manera típica tarda varias horas. Consciente de que es mucho tiempo Tesla ha instalado   estaciones rapidas en todo el mundo que ofertan hasta unos 135 kW de potencia , requiriendo típicamente de 20 a 40 minutos.

Las baterías de Tesla que usan baterías Panasonic 18650 no pueden cargar más rápido que esto ,puesto que el voltaje de carga máxima de una celda de Panasonic es de 4,2 voltios y  Panasonic especifica un máximo de corriente de 2 amperios por célula de carga pero Tesla suaviza esta regla llegando   hasta 4 amperios. Por lo tanto ,la potencia máxima que puede puede utilizar un paquete de baterías del Tesla para cargar es 4.2 X X N donde N es el número de células en el paquete y I es la corriente máxima permitida por la célula. Para los paquetes de 85/90 kWh es 7.104 X 16,8 = 119.3 kW. Para los 100 paquetes de kWh es 8.256 X 16,8 = 138.7 kW. No hay manera para cargar más rápido sin aumentar la máxima carga por celula que podría acelerar la degradación de las células o algo peor.

Todas las células de la batería recargables se degradan con el tiempo con reacciones secundarias indeseables que ocurren en las células  produciendo subproductos que bloquean los iones de litio de alcanzar el ánodo durante la carga. Las baterías de Tesla están garantizadas contra fallos pero no degradación. Las primeras indicaciones sobre el uso de estas baterias  son que la degradación de células 18650 es muy lenta, perdiendo solamente un por ciento o dos de capacidad por año en el peor  por lo que las células son muy resistentes a la degradación, al parecer.

 

Bateria  para el modelo 3

El Tesla modelo 3 ha estado disponible por casi un año, de modo que  hackers ,manitas e incluso aficionados  en todo el mundo están dispuestos a investigar  mucho mas sobre lo  que se  oculta en su interior.

Los coches Tesla modelo 3 utilizarn  las celulas 2170  fabricadas  en  Gigafactory . Las células más grandes pueden ser capaces de utilizar más de 4 amperios de carga actuales que servirán para acelerar la carga  porque las células 2170 tienen más capacidad de almacenamiento de energía que las células 18650 células, así que proporcionalmente  necesitarán menos para crear un paquete con un determinado grado de kWh. (N es más pequeño, consigue más grande). Esto significa que la mayor carga de energía es sin sentido para estas baterías aqunye la relación. 4.2 X N X  todavía se aplica.

Este modelo  aunque es considerablemente más barato que el modelo anterior, con un precio de  $35.000 dolares   USD  ,el nuevo Tesla sigue siendo un precio demasiado alto para comprarlo para desmontarlo por simple curiosidad ,así que para Jack Rickard  conocedor de vehículo eléctrico [Jack Rickard]  compró el primer 3 modelo averiado para a tenerlos en sus manos  procediendo a hacer un desmontaje  largo en lo que podría decirse que es el corazón y el alma de la máquina: su batería de 75 kWh.

En el camino hicieron algunos descubrimientos interesantes y obtuvo una idea sobre cómo Tesla ha podido caer el coste de los 3 modelos,hasta llegar al precio  “tan bajo” actual  en comparación con sus anteriores vehículos.

En un Tesla, la batería es un gran panel plano que toma efectivamente la parte de  debajo del vehículo. Para quitarla  necesitamos un gato   hidráulico y  levantar el modelo 3 en un elevador estándar y luego bajar la batería con una tabla de elevación pequeña. Es aquí se observan las primeras diferencias: mientras que la batería del modelo S fue hecha para el rápido intercambio (una característica aparentemente que rara vez se ha utilizado en la práctica), la batería de la batería del modelo 3 obviamente pretende ser una pieza permanente del vehículo; de  modo que no es sencillos retirarla pues ocupa  una buena porción del interior.

La batería del coche pues puede considerarse  el cambio más grande para el modelo 3

 El paquete de baterías contiene en realidad el sistema de gestión de la batería en una unidad integrada, cargador y convertidor DC-DC. Mientras que en el modelo de estos componentes fueron instalados en el vehículo, en el modelo 3, la mayoría de la electrónica primaria se almacena en este módulo lo cual reduce considerablemente el cableado y la complejidad del coche,

 

[Jack] menciona el hardware importante sólo queda el modelo 3 (más allá de los motores)  en  el equipo de interfaz de usuario en la consola central. Cuando el protocolo de comunicación para este módulo de electrónica inverso diseñado, puede terminar siendo excepcionalmente útil no sólo para las conversiones del vehículo eléctrico pero cosas como almacenamiento de energía de fuera de la red.

En el video podemos ver el proceso completo de desmontaje  de la batería del un Tesla model 3   filmado  como  un documental

 

Tesla parece decidido por este formato 2170 para ofrecer diferentes capacidades de baterías peor en cambio, los fabricantes tradicionales han tenido que conseguir celdas mejoradas para poder ofrecer otras capacidades de batería, como ocurre ahora por ejemplo con el Renault ZOE de 41 kWh y el de 22 kWh.

Tesla ha apostado por este formato de batería, algo que no han hecho el resto de fabricantes tradicionales. Por el momento, parece que la compañía californiana está decidida a bajar los costes significativamente con este formato. ¿Acabarán usándolo el resto de fabricantes? Por el momento, parece que no.

 

 

Fuente https://hackaday.com

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