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El diseño

OBJETIVOS

Un voltaje de entre 600 y 1000V, con este voltaje ya sabia que probablemente no mataría a la avispa, pero como bajo el arpa hay una bandeja con agua le bastaba con derribarla, de que no volviese a volar se encargaba el agua.

No quería mas voltaje, para minimizar riesgo, tanto de incendio como de electrocución, así como para evitar que saltase un arco demasiado largo que pudiese alcanzar a las abejas a pesar de no ser lo bastante grandes como para tocar los dos cables a la vez.

Solo debía trabajar de día.

No debía depender de la red eléctrica. En principio hablamos de ponerle batería y que se cargase con paneles solares, pero al final, para abaratar costes y simplificar el circuito decidimos no poner batería, haríamos que se alimentase directamente de los paneles, si hay luz funciona, si no hay, no.

El costo de los materiales debía ser bajo, y la dificultad de construcción asumible.

La idea es que cualquiera que sepa usar un estañador pueda construir el circuito, y que cualquiera que tenga acceso a una impresora 3D pueda imprimir o encargar que le impriman las piezas de la carcasa para después integrar todo y sellarlo. Incluso si no pudiese acceder a una impresora 3D podría montarlo en un tupper y funcionaria igual

Debía ser Open Source.

Esta condición la puse yo, todo lo que yo hiciese seria publico con licencia creative commons, cualquiera tiene derecho a hacer lo que le parezca con mi diseño, fabricarlo, modificarlo, venderlo, etc, solo debe dar atribución al autor y publicar las modificaciones que se hagan bajo la misma licencia.

EL ESQUEMA

Ahora voy a explicar un poco como funciona este dispositivo.

El módulo Step-up.

Esta parte se encarga de elevar la tensión desde el voltaje de los paneles, (6V a pleno sol) hasta los 10V. Elegí el MT3608, trabaja a partir de 2V de entrada, lo que me permite sacar corriente útil para el circuito con niveles bajos de luz.

Este módulo permite regular la salida desde unos 4 hasta los 35V, nosotros lo vamos a regular a 10V, si quieres mas voltaje en el arpa eléctrica solo hay que subir el voltaje de salida de este módulo, pero solo hasta un máximo de 18V, si pasas de ahí es casi seguro que te cargues el 555 o el mosfet, que no soportan voltajes superiores. De todas formas no recomiendo mas voltaje, no hace falta y además, te arriesgas a estropear algo o reducir la vida de algún componente.

El circuito oscilador.

Compuesto por el NE555P, las resistencias R1 y R2 más los condensadores C1 y C2.

Aquí tenemos el típico 555 en configuración astable, las resistencias más el condensador C2 son las responsables de definir la frecuencia y el ciclo de trabajo del 555, C1 de 10 nF es para filtrar ruidos parásitos que pudieran afectar al 555, en este caso no seria imprescindible, funciona bien sin el, pero por lo que vale se lo pongo.

Este integrado funciona alimentándolo entre 5 y 18 Voltios.

Los valores que escogí para R1,R2 y C2 hacen que el 555 genere una señal cuadrada de 3,2 Khz con un ciclo de trabajo del 52%.

Conmutado y transformación.

La señal del 555 no tiene potencia para alimentar el circuito, así que el encargado de conmutar la señal que entra al transformador será un mosfet IRF530N, al cual excitaremos en el GATE con la señal cuadrada del 555 a través de las resistencias R3 y R4, lo que permite circular la corriente que viene del Step-up entre SOURCE y DRAIN hacia el primario del transformador.

El transformador. Es un transformador muy fácil de encontrar, de 230V a 12V, un primario y un secundario, nada mas. Esta pieza es la que me marcó todo el resto del diseño, algún tipo de transformador iba a necesitar si o si, lo primero que se me ocurrió fue hacer un ladrón de julios bobinando un toroide con las vueltas que necesitase para lograr el voltaje necesario, eso hubiese hecho mucho mas simple el circuito, pero uno de los objetivos del proyecto es que fuese lo mas sencillo posible de montar por gente con poca o ninguna experiencia en estos temas. Bobinar un transformador aunque no es muy difícil si es muy tedioso, ni yo tengo ganas de ponerme a eso, así que aunque el circuito tenga muchos mas componentes, si tienes la placa ya hecha soldarlos son 10 minutos.

Este transformador se usa para pasar de los 230 V de la red eléctrica a 12V de corriente alterna, pero nosotros lo montaremos al revés, lo que hará que en vez de bajar el voltaje lo suba, que es lo que buscamos, aunque solo llegaremos a 230 en alterna, que tras el rectificado queda en mas de 300V en continua, alto, pero insuficiente, pero de ese problema se encarga la siguiente parte.

Cascada de Villard y banco de condensadores.

Este arreglo de diodos y condensadores es el encargado de elevar la tensión de unos 230 a 950 Voltios.

A la salida del transformador tenemos una corriente alterna, esa corriente al entrar en la cascada carga en paralelo los condensadores, al caer el voltaje en esta corriente alterna los condensadores se descargan en serie sumando los voltajes acumulados y logrando una corriente continua de alto voltaje que se almacena en el banco de condensadores para que se acumule algo de energía en ellos, que se descargará de golpe al poner en corto la salida de alto voltaje.

Este banco de condensadores se compone de 10 condensadores cerámicos de 3KV, que suman 22 nF, podría sustituirse por un solo condensador de poliéster de 22 nF 2Kv, pero para abaratar opté por los cerámicos, mucho mas baratos y resistentes, aunque poco precisos, pero para esto no necesitamos precisión.

Funcionamiento:

Los paneles solares generan de día la corriente necesaria para que el step-up logre levantar el voltaje hasta que empieza a trabajar el oscilador.

El oscilador genera una onda cuadrada que excita el mosfet, este permite pasar una corriente alterna al transformador.

El oscilador es necesario porque los transformadores solo pueden trabajar en alterna, y los paneles solares nos dan corriente continua, así que creamos una corriente alterna con el oscilador y el mosfet que al pasar por el transformador se eleva hasta los 230V en alterna.

La frecuencia a la que oscila el 555 la escogí por ensayo y error, probé primero una frecuencia cercana a la que esta pensado que trabaje el transformador, 50Hz, la frecuencia de la red.

Con esta frecuencia la cascada de Villard apenas era capaz de subir el voltaje, subía voltaje en la primera etapa, pero en las 3 siguientes bajaba.

Al empezar a subir frecuencia empezaba a mejorar, ahora ya subía voltaje en 2 etapas y bajaba en las otras 2, así que seguí subiendo hasta que ya subía voltaje en todas y cada una de las etapas de la cascada, alcanzando los 1300 voltios si el step-up se regulaba a casi 13V, así que le baje al step-up hasta los 11,5V, consiguiendo que bajase el voltaje hasta los 950V que quería.

Se supone por lo que leí que los transformadores con núcleo de hierro al silicio, como es este caso, solo pueden trabajar a frecuencias bajas, en altas frecuencias el núcleo se satura y se calienta, para trabajar a frecuencias altas habría que usar núcleos de ferrita.

Bien, en mis pruebas no detecte problema alguno por hacerlo trabajar a 3,2 Khz(que tampoco es una frecuencia muy alta), así que lo dejo así.

Un detalle que me trajo un poco loco fue que con el osciloscopio detectaba un pico de retorno del transformador de hasta 260V cuando ponía en corto la salida de alto voltaje, el mosfet solo soporta 100V, a pesar de eso no parecía tener problema alguno, funcionaba bien todo, y si lo dejaba en corto todo el día no petaba.

Pero como no me dejaba tranquilo esa medida me puse a hacer pruebas con la forma de onda que salia del mosfet, con resistencia baja en el Gate(R3) la forma de onda que ingresaba al transformador era completamente cuadrada, y generaba esos picos tan altos, pero subiendo el valor de la resistencia el mosfet entregaba una onda cuadrada, pero con las esquinas redondeadas, y cuanto mas redondeaba la onda mas bajaba el pico, cuando llegue a 100K el pico ya solo era de 80V, algo que no debería darle problemas al mosfet.

Y llegado este punto me encuentro que la R4, que había puesto para no dejar flotando el Gate del mosfet era igual que R3, esto no lo acabo de entender, por lo poco que yo se no deberían ser iguales, pero si cambiaba algo ya no daba la onda que yo quería, así que lo dejé así.

Amarillo-Salida del 555

Azul-Drain del mosfet

Las fotos de arriba corresponden al funcionamiento en abierto, es decir ,esperando a que pase una avispa, y las de abajo al funcionamiento en cortocircuito.

Fabricación del PCB.

Tras todas estas pruebas en el prototipo me puse a diseñar la placa con Kicad, software de diseño electrónico creado en el CERN y open source que nada tiene que envidiar a programas comerciales.

Tuve que aprender como usar esta herramienta, nunca había hecho una placa para mandar a fabricarla.

Gracias a los magníficos vídeos de Alex, del canal de YouTube TutoElectro, en unos días ya fui capaz de manejar el programa lo suficiente como para diseñar la placa y mandarla a fabricar, saliendo todo bien a la primera.

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