CONTROL DE POTENCIA ELECTRÓNICO PARA HORNILLA 1000 W.

CONTROL DE POTENCIA ELECTRÓNICO PARA HORNILLA 1000 W.

En estos tiempos en donde reponer los electrodomésticos dañados se ha transformado en una suerte de hazaña no nos queda más remedio que recurrir a la reparación de los mismos o de al menos hacer el intento. De igual manera, hoy por hoy abundan los mal llamados técnicos que en su mayoría son personas que han aprendido un oficio pero sin poseer muchas luces sobre los temas que “dominan” prestando un servicio bastante mediocre en cuanto a calidad y resultados. Como si fuera poco pretenden cobrar una suma exorbitante por la reparación. Estas premisas han obligado a muchos ciudadanos adentrarse en el campo de la reparación de equipos y en este caso no soy la excepción, me he visto metiendo mano en sistemas de refrigeración, en mecánica y electricidad automotriz, reparación de equipos electrónicos como los TV, lavadoras, etc.

El tema que inspira para realizar esta entrega es el daño del termostato de una hornilla eléctrica de 1000 W de potencia a 115 VAC. En principio disponía de dos hornillas o estufas eléctricas para cocinar y de esa manera disminuir el consumo de gas doméstico, elemento que en determinados momentos de esta revolución se ha vuelto un verdadero calvario. La primera hornilla que se le dañó el termostato (bimetálico) la puse directa y en ella solo colocaba lo que se iba a hervir o freír a “fuego alto” mientras que la otra era la hornilla para la cocción lenta. El daño del elemento de control de temperatura de esta segunda hornilla es como ya indiqué el responsable del título de este artículo.

Hornilla 1000 W.

 

Termostato dañado

Me puse como meta realizar un control de potencia electrónico empleando los llamados triacs ya que en una oportunidad pude verificar sus ventajas y potencialidades montando en el protoboard circuitos atenuadores o “dimmer” electrónicos para el control de la intensidad de la luz de una lámpara.

Mis investigaciones antes de la “era del internet” me llevaron a revisar documentos interesantes sobre electrónica y circuitos de control de potencia. El montaje que mejor comportamiento manifestó fue un sencillo circuito de control de fase con triac y exento de histéresis diseñado por J. H. Galloway en 1.966.

Lo que me encanta de esta realización es su simplicidad, empleando un mínimo de componentes y sin las fallas que otros diseños presentaban, como una marcada histéresis o dificultades de regulación una vez que la bombilla se apagaba. Por supuesto, en la red podremos encontrar un sinnúmero de diseños que difieren al desarrollado acá que emplean resistencias y condensadores mientras que este sustituye alguno de estos componentes por un par de diodos.

De acuerdo al autor, el circuito es sólo útil para cargas resistivas en las imágenes oscilo gráficas muestran el control de potencia por ángulo de fase.

La figura siguiente muestra el circuito realizado para el control electrónico de potencia de mi estufa.

Circuito

Este mismo diseño, en otra publicación del mismo autor incluye un filtro RF para la supresión de interferencias de radio frecuencia, no obstante, por comodidad y simplicidad (tendría que calcular las bobinas) el diseño empleado es el mostrado en el diagrama.

Del diseño, sólo hice un cambio del cual no recuerdo la causa, probablemente por calentamiento, la resistencia de 15K ½ W la sustituí por una de 15K 1 W, el triac empleado es el NTE 56006 para 400 V y 15 A, encapsulado TO 220 y el diac un NTE6407. El resto de los componentes utilizados son recuperados de equipos electrónicos desarmados incluyendo la caja metálica para alojar a los componentes. La imagen muestra alguno de los componentes empleados.

La elección del triac queda sujeto a la carga según el diseñador, que en mi caso son 1000 W que representan una intensidad de 10 Amperios aproximadamente.

El poder de disipación del encapsulado TO 220 es limitado teniendo una resistencia térmica de 70 ºC/W como promedio con respecto al medio ambiente y según las características indicadas en la hoja técnica del triac la temperatura de una unión T_J es de 125º C, la resistencia térmica de la unión al encapsulado es de 2 ºC/W con una caída de voltaje en el dispositivo durante la conducción V_TM de 1,6 V.

La potencia perdida (DP) es el resultado de multiplicar el amperaje que circula por la caída de tensión (V_TM), lo que implica 16 W.

La temperatura del dispositivo se estima por la fórmula:

En donde T_𝑎 es la temperatura ambiente que en la zona donde vivo eventualmente alcanza los 32ºC y R_J𝑎 es la suma de las resistencias térmicas asociadas al encapsulado, para el primer cálculo se considera que no hay disipador de calor y R_J𝑎 toma el valor de 70º C/W.

De esta ecuación se desprende que la potencia máxima que disipa el encapsulado sólo es de 1,3 W, de manera que el amperaje máximo que puede soportar el dispositivo bajo estas condiciones y con una caída de tensión de 1,6 V es de 0,9 A. Evidentemente se requiere de un disipador de calor para garantizar el funcionamiento del triac sin que este se dañe.

Con la fórmula 1 se puede determinar la resistencia térmica máxima del disipador requerido a partir de los parámetros conocidos, ∆P=16 W, T_𝑎=32° C y T_J=125° C.

R_J𝑎=5,8 °C/W.

Sin embargo, por seguridad asumiremos la potencia a dispar por el triac es cuando circulan los 15 A que puede soportar.

R_J𝑎=4,9 °C/W.

Tomaremos este último resultado para la selección del disipador ya que en principio posee un coeficiente de seguridad.

La resistencia térmica total es la suma de todas las resistencias involucradas, la del encapsulado juntura carcasa (R_jc), la de montaje carcasa disipador (R_cd) que incluye la presencia de pasta térmica o micas aislantes o montaje directo al disipador y la resistencia térmica disipador atmosfera (R_c𝑎) del disipador al ambiente. La disipación del calor se ve influenciada también por la disposición u orientación del disipador y de la diferencia entre la temperatura media del disipador y la ambiente disminuyendo en la medida que el diferencial de temperaturas se hace mayor.

Dentro de mis cachivaches poseo un par de disipadores de calor de gran tamaño como los mostrados en la imagen siguiente.

Disipadores

Por tratarse de disipadores “normalizados” o comerciales pude encontrar el valor de la resistencia térmica disipador/ambiente (R_c𝑎) en un catálogo de accesorios para componentes electrónicos.

Los valores de las respectivas resistencias térmicas son:

R_jc = 2 ºC/W (Catálogo).

R_cd = 0,8 ºC/W (TO 220 directo, sin silicona ni mica aisladora).

R_c𝑎 = Valor a determinar.

De la ecuación 2 se desprende que la resistencia térmica del disipador a la atmosfera tiene el valor máximo de:

R_c𝑎 = 2,1 °C/W.

Caracteristicas disipador 

De acuerdo al diagrama mostrado en la hoja del catálogo del disipador, necesitamos uno con longitud de 62,5 mm aproximadamente.

Afortunadamente el disipador de color rojo posee una longitud de 65 mm y será este el elemento a emplear para ahorrarnos el esfuerzo de recortar con segueta el disipador de color negro.

La imagen muestra el prototipo para las pruebas y verificar el conexionado de los componentes.

 Prototipo

Las imágenes siguientes muestran el dispositivo ya armado. El cable empleado para el toma corriente y para unir el triac a la hornilla y a la alimentación es un SPT 2 AWG 18x2 105º C. la caja metálica pertenecía a un  “data switch”.

Lo más “antiestético” del regulador si se quiere es el disipador de calor el cual quedó externo y no internamente, la razón para colocarlo afuera de la caja y no adentro fue en primer lugar la disipación térmica, la cual se vería fuertemente afectada por el encierro y por el otro lado un tema de espacio ya que el disipador prácticamente es del tamaño de la caja y no deja mucho espacio interior para el pequeño circuito impreso. Tampoco dispone del espacio para colocar un pequeño ventilador para mejorar el enfriamiento del triac. Otra opción no explorada era la de verificar si la propia caja de acero servía como disipador de calor y de esta manera ahorrarse el empleo del disipador de aluminio, no obstante no parece una buena opción ya que a simple vista comparando la superficie del disipador de aluminio contra la caja esta última no parece disponer del área suficiente. Otro detalle del regulador es la generación de un leve zumbido en la hornilla producto del “recorte” abrupto de la onda sinusoidal, posiblemente este pequeño detalle se puede corregir con el empleo de bobinas atenuadoras.

Las imágenes siguiente muestran al regulador al 60% (agua hirviendo) y al 25% de la potencia de la hornilla. En el primer caso se aprecia el resplandor de la resistencia y en el segundo caso yo no es visible pero manteniendo la temperatura del agua.