Dispositivos Electrónicos con Tecnología

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Electrónica

Programa Especial de Titulación:

“Diseño e Implementación de una

Máquina de Soldadura por Refusión para

Dispositivos Electrónicos con Tecnología

BGA”

Autor: Jorge Armando Villanueva Altamirano

Para optar el Título Profesional de

Ingeniero Electrónico

Lima – Perú

2020

RESUMEN

El proyecto desarrollado permite realizar el proceso de soldadura de componentes BGA

en dispositivos electrónicos, que necesitan de un cambio cuando estos se averían, es

necesario realizar un proceso térmico controlando la temperatura a través del tiempo,

además los componentes BGA por la complejidad de sus terminales hacen que una

extracción se torne dificultosa, la propuesta desarrollada fue realizar el diseño e

implementación de una máquina de soldadura de refusión para dispositivos electrónicos

con tecnología BGA .

Se diseñó e implemento una máquina que permita la soldadura de componentes para

dispositivos electrónicos con tecnología BGA, en base al perfil térmico estudiado, la

realización de la soldadura para estos componentes está por encima de los 220 °C,

controlando esta temperatura en función del tiempo se logra hacer un proceso optimo,

para tal efecto térmico se diseñó la etapa de potencia y generación de calor a su vez para

el sensado de temperatura se dispuso de un diseño de sensores con sus respectivos

acondicionamientos conjuntamente conectados por un microcontrolador pic16f887

además se diseñó el control PID para un óptimo control de temperatura, las pruebas de

funcionamiento de la maquina demostraron que se puede realizar una extracción optima

de tales componentes en dispositivos electrónicos con estas tecnologías.

i

INDICE DE CONTENIDO

RESUMEN ..................................................................................................................... ....

i

INDICE DE CONTENIDO ................................................................................................. ii

INDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... v

INDICE DE TABLAS ........................................................................................................ vi

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. vii

CAPITULO 1 .................................................................................................................... 1

ASPECTOS GENERALES ............................................................................................... 1

1.1. Definición del Problema ...................................................................................... 1

1.1.1. Descripción del Problema ............................................................................ 1

1.2. Definición de Objetivos ....................................................................................... 3

1.2.1. Objetivo General .......................................................................................... 3

1.2.2. Objetivos Específicos .................................................................................. 3

1.3. Alcance y Limitaciones ....................................................................................... 3

1.3.1. Alcances ...................................................................................................... 3

1.3.2. Limitaciones ................................................................................................ 4

1.4. Justificación ........................................................................................................ 4

1.5. Estudio de Viabilidad .......................................................................................... 5

1.5.1. Viabilidad Técnica ....................................................................................... 5

1.5.2. Viabilidad Económica .................................................................................. 6

CAPITULO 2 .................................................................................................................... 7

MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 7

2.1. Antecedentes ...................................................................................................... 7

2.2. Tecnologías/técnicas de sustento ....................................................................... 9

2.3. Conceptos básicos ............................................................................................. 9

2.3.1. Sistema de control ....................................................................................... 9

2.3.2. Sistema de control de temperatura ............................................................. 10

2.3.3. Sistema de control en lazo abierto .............................................................. 10

2.3.4. Sistema de control en lazo cerrado ............................................................. 11

2.3.5. Componentes del Sistema de Control ........................................................ 11

2.3.6. Actuador ..................................................................................................... 12

2.3.7. Transductor ................................................................................................ 13

2.3.8. Controlador ................................................................................................. 13

2.3.9. Acciones de control .................................................................................... 14

2.3.10. Componente BGA ................................................................................... 14

ii

2.4. Parámetros a considerar para un proceso de soldadura de refusión. ................ 16

2.5. Etapa de sensado y acondicionamiento de temperatura .................................... 17

2.5.1. Termopar .................................................................................................... 18

2.5.2. Acondicionador de señal ............................................................................ 18

2.5.3. AD595 ........................................................................................................ 18

2.6. Etapa de potencia y generación de calor. .......................................................... 19

2.6.1. Mecanismos de transferencia de calor........................................................ 19

2.6.2. Relé de estado sólido (SSR) ....................................................................... 21

2.7. Etapa de control, periféricos y diseño de algoritmo PID ..................................... 22

2.7.1. Periféricos .................................................................................................. 22

2.7.2. Algoritmo de control .................................................................................... 22

CAPITULO 3 ................................................................................................................... 23

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN ................................................................................ 23

3.1. Estructura de trabajo ......................................................................................... 23

3.1.1. Diagrama de bloques .................................................................................. 24

3.2. Diseño de la etapa de sensado y acondicionamiento ........................................ 24

3.2.1. Sensor de temperatura ............................................................................... 24

3.2.2. Acondicionamiento ..................................................................................... 25

3.2.3. Diagrama esquemático ............................................................................... 27

3.2.4. Simulación y grafica .................................................................................... 27

3.3. Diseño de la etapa de potencia y generación de calor ....................................... 29

3.3.1. Resistencia calefactora (precalentado, actuador inferior) ........................... 29

3.3.2. Resistencia calefactora (actuador superior) ................................................ 32

3.3.3. Accionamiento de los actuadores ............................................................... 32

3.3.4. Diagrama pictórico ...................................................................................... 34

3.3.5. Simulación .................................................................................................. 35

3.4. Diseño de la etapa de control ............................................................................ 35

3.4.1. Controlador ................................................................................................. 35

3.4.2. LCD ............................................................................................................ 37

3.4.3. Diseño de control PID ................................................................................. 38

3.4.4. Diagrama de bloques del algoritmo ............................................................ 45

3.4.5. Diagrama esquemático ............................................................................... 46

3.5. Cronograma....................................................................................................... 48

CAPITULO 4 ................................................................................................................... 49

RESULTADOS ................................................................................................................ 49

4.1. Pruebas y Resultados ........................................................................................ 49

4.1.1. Etapa de sensado y acondicionamiento...................................................... 49

iii

4.1.2. Etapa de potencia y generación de calor ................................................... 51

4.1.3. Etapa de control ......................................................................................... 52

4.2. Presupuesto ...................................................................................................... 54

4.2.1. Cotización de proveedor ............................................................................ 56

CONCLUSIONES ........................................................................................................... 57

RECOMENDACIONES ................................................................................................... 59

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 60

ANEXOS ........................................................................................................................ 62

ANEXO 1: Tablas de Propiedades Del Aire. ................................................................ 63

ANEXO 2: SSR-DA25A (Fotek) ..................................................................................... 65

ANEXO 3: PIC16f887. .................................................................................................... 70

ANEXO 4: Programa Matlab Adquisición De Datos. ................................................... 74

ANEXO 5: Programa Del Pic. ....................................................................................... 79

iv

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Sistema de control de temperatura .................................................................. 10 Figura 2. Sistema de lazo abierto .................................................................................... 11 Figura 3. Sistema de control en lazo cerrado .................................................................. 11 Figura 4. Elementos básicos de un sistema de control retroalimentado .......................... 12 Figura 5. Encapsulado BGA ............................................................................................ 15 Figura 6. Perfil de temperatura deseado ......................................................................... 17 Figura 7. Conexión básica del AD595 ............................................................................. 19 Figura 8. Métodos de transferencia de calor ................................................................... 19 Figura 9. EDT del Proyecto ............................................................................................. 23 Figura 10. Diagrama de bloques detallado ...................................................................... 24 Figura 11. Sensor y acondicionamiento .......................................................................... 27 Figura 12. Grafica del sensor de temperatura ................................................................. 28 Figura 13. Diseño de PCB con software Proteus ............................................................ 28 Figura 14. Placa sensado y acondicionamiento .............................................................. 28 Figura 15. Dimensiones del calefactor ............................................................................ 29 Figura 16. Tabla de propiedades del aire ........................................................................ 30 Figura 17. Etapa de potencia y calor ............................................................................... 34 Figura 18. Simulación con señal PWM............................................................................ 35 Figura 19. Entradas y salidas del controlador ................................................................. 36 Figura 20. Microcontrolador pic16f887 ............................................................................ 36 Figura 21. Pines Pic16f887 ............................................................................................. 37 Figura 22. Lcd Características ........................................................................................ 37 Figura 23. Lectura de temperatura y señal escalón de 150 por 15000 segundos. ........... 39 Figura 24. Variables de la curva de reacción .................................................................. 39 Figura 25. Curva de reacción con datos traslados .......................................................... 40 Figura 26. Variable trasladas .......................................................................................... 40 Figura 27. Toolboz de System Identification del Matlab. ................................................. 41 Figura 28. Asignación de primer orden ........................................................................... 41 Figura 29. Proceso de estimación ................................................................................... 42 Figura 30. Función de trasferencia obtenida con Matlab ................................................. 42 Figura 31. Parámetros del controlador de Ziegler-Nichols............................................... 43 Figura 32. Diagrama de flujo el programa a realizar........................................................ 45 Figura 33. Esquemático del PCB de Control ................................................................... 46 Figura 34. Tarjeta PCB de control ................................................................................... 46 Figura 35. Tarjeta PCB de control ................................................................................... 47 Figura 36. Diagrama de Gantt ......................................................................................... 48 Figura 37. Prueba del sensor y acondicionamiento ......................................................... 50 Figura 38. Grafica obtenida desde 20°C hasta 320°C ..................................................... 50 Figura 39. Prueba de Duty cicle ...................................................................................... 51 Figura 40. Regulación de voltaje con SSR ...................................................................... 51 Figura 41. Prueba de calentamiento ............................................................................... 51 Figura 42. Prueba de funcionamiento ............................................................................. 52 Figura 43. Prueba de medición de temperatura .............................................................. 52 Figura 44. Prueba de control de pistola de calor ............................................................. 53 Figura 45. Extracción de BGA ......................................................................................... 53 Figura 46. Cotización de componentes y equipos. .......................................................... 56

v

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Equipos y herramientas disponibles. ................................................................... 5 Tabla 2. Experiencia y conocimiento del equipo de desarrollo .......................................... 6 Tabla 3. Cuadro comparativo de sensores ...................................................................... 25 Tabla 4. Cuadro comparativo de acondicionadores ........................................................ 26 Tabla 5. Cuadro de simulaciones .................................................................................... 27 Tabla 6. Propiedades del aire ......................................................................................... 30 Tabla 7. Características del calefactor ............................................................................ 32 Tabla 8. Características de la pistola de calor ................................................................. 32 Tabla 9. Características y costo ...................................................................................... 34 Tabla 10. Prueba de funcionamiento .............................................................................. 49 Tabla 11. Recursos tecnológicos .................................................................................... 54 Tabla 12. Recursos de materiales ................................................................................... 54 Tabla 13. Recurso humano ............................................................................................. 55 Tabla 14. Inversión total .................................................................................................. 55

vi

INTRODUCCIÓN

El presente proyecto consiste en el diseño e implementación de un sistema de control de

temperatura que cumpla con los requisitos necesarios para lograr la extracción y

soldadura de componentes electrónicos que cuenten con el tipo de soladura BGA (que

son las siglas de Ball Grid Array o arreglo de cuadrícula de esferas), la cual es la principal

técnica de adhesión de chips y microcontroladores hoy en día.

Durante el desarrollo de este proyecto vamos a tomar en cuenta varios factores como la

temperatura, el tiempo de etapas del proceso, flujo de aire, el perfil térmico.

Para realizar el control de temperatura utilizaremos un sistema de control basado en PID,

posteriormente implementaremos nuestra máquina teniendo en cuenta un sistema de

control, correcto posicionamiento y conexión de sensores de temperatura, una etapa de

potencia en la cual vamos a implementar las fuentes de energía para el sistema de

control y para los actuadores, finalmente vamos a diseñar e implementar la estructura de

nuestra máquina y ensamblar las partes antes mencionadas. Logrando controlar

adecuadamente nuestras variables podremos conseguir lo planeado, en este caso lograr

controlar la temperatura en un determinado tiempo, lograr que el flujo de aire y

temperatura de nuestros actuadores sean los adecuados y que nuestros sensores

trabajen eficientemente, pues son una parte fundamental para la toma de datos antes del

procesamiento de los mismos y ser expuestos en nuestros visualizadores.

vii

CAPITULO 1

ASPECTOS GENERALES

1.1. Definición del Problema

La empresa Andean Slots S.A.C se dedica a la explotación de máquinas tragamonedas,

cada máquina es prácticamente un conjunto de partes o dispositivos electrónicos, con

diferentes tipos de funciones que tienen que cumplir a la perfección, que pasa cuando

uno de estos dispositivos deja de operar, lógicamente tiene que realizarse el cambio,

esperar la compra o realizar la reparación.

Es en la reparación cuando el especialista detecta que se tiene que hacer el cambio del

componente averiado, en este caso un componente de tecnología BGA, por ende, el

problema de la reparación se hace imposible si no se cuenta con un equipo especial que

realice tal proceso.

1.1.1. Descripción del Problema

La empresa dedicada al uso de máquinas de juego y entretenimiento Andean Slots SAC

tiene como bienes una gran cantidad de máquinas repartidas en diversas salas de juego

en lima y provincias, cada sala de juegos consta del recurso humano necesario para

poder cumplir con un funcionamiento de operatividad optima y funcional, el departamento

técnico es el encargado de realizar constantemente el soporte técnico casi las 24 horas

del día, velando por el buen funcionamiento general de las máquinas.

1

El funcionamiento de una maquina tragamonedas como todo equipo electrónico, consta

de partes mecánicas y electrónicas, semejante a la de una computadora teniendo

periféricos de entrada y de salida y una unidad de central de procesos, toda esta

tecnología es diseñada por grandes empresas de manufactura extranjeras empresas

dedicas a la fabricación de máquinas de juego, cada máquina depende de los dispositivos

electrónicos para su buen funcionamiento, estos dispositivos están diseñados con

componentes electrónicos como las resistencias, condensadores, bobinas circuitos

integrados y montados en tarjetas de circuito impreso o PCB, con los avances

tecnológicos los diseños electrónicos han experimentado diversos cambios a través de la

historia, en un comienzo los primeros componentes eran de gran tamaño comparados

con los de hoy en día, estos eran montados sobre las placas de circuito impreso PCB (del

inglés: Printer Circuit Board) haciendo coincidir las patillas o pines del componente en

cada agujero distribuido en la PCB y soldados por el lado opuesto al componente. Esta

técnica se llamó tecnología de agujeros pasantes PTH (del inglés: Pin Through Hole)

Ya para los años 60 y 80 se utilizaba la tecnología de montaje superficial, a diferencia de

la anterior esta tecnología no utiliza agujeros para la unión de los componentes si no la

placa misma, el componente es soldado en la misma placa, estos componentes son

llamados dispositivos de montaje superficial SMD (del inglés: Surface Mounted Device).

En la actualidad la tecnología de circuitos integrados ha empleado diferentes formatos, desde

los terminales visibles hasta los no visibles la tecnología BGA (del inglés: Ball Grid Array) este

tipo de componente lleva en su superficie inferior bolitas en vez de terminales que al ser

soldados ya no son visibles. Las fallas de los dispositivos electrónicos son variadas, pero para

este estudio nos centraremos en los de tecnología BGA. La reparación de estos dispositivos

que usan la tecnología BGA no están siendo reparados por el departamento técnico, ya que

no disponen del equipo necesario para realizar el trabajo. Esto trae como consecuencia

realizar, el servicio de reparación a terceros, disminuir el

2

stock de dispositivos operativos u optar por la compra, esto causa una inoperatividad de

la máquina que debería estar operando las 24 horas todos los días generando pérdidas

económicas diarias por cada día de inoperatividad.

1.2. Definición de Objetivos

1.2.1. Objetivo General

Diseñar e implementar una máquina que permita realizar el proceso de soldadura de

componentes BGA mediante un sistema de control de temperatura.

1.2.2. Objetivos Específicos

• Diseñar y seleccionar la etapa de sensado y acondicionamiento de temperatura.

• Diseñar y seleccionar la etapa potencia y generación de calor.

• Seleccionar el controlador, periféricos y diseñar el algoritmo para el control de

temperatura basado en PID.

1.3. Alcance y Limitaciones

1.3.1. Alcances

La máquina solucionara el problema del cambio de componentes de tecnología BGA en

dispositivos electrónicos y así poder incorporar esta tecnología en el área técnica de

reparaciones de la empresa Andean Slots SAC.

Para trabajar con componentes BGA en los dispositivos electrónicos, la máquina realizara

un proceso térmico de transmisión sin contacto por radiación o convección, por ambos

lados de la tarjeta o PCB a trabajar, de manera controlada en intervalos de tiempos de

acuerdo al perfil térmico usado para soldaduras por refusión o reflow. Además, la

máquina será de bajo costo.

3

1.3.2. Limitaciones

La máquina no podrá realizar el posicionamiento, alineación y extracción de forma

automática. Las dimensiones máximas de PCB a precalentar serán de 15x15cm además

los sensores de temperatura serán colocados manualmente para cada proceso de

soldadura en los dispositivos electrónicos a trabajar con tecnología BGA.

1.4. Justificación

Económica: Al reparar en su totalidad los dispositivos dañados lograremos minimizar las

compras de dispositivos nuevos y primordialmente disminuir el tiempo de inoperatividad

de las maquinas por dispositivos averiados, por lo tanto, el desarrollo de la máquina

permitirá que se realicen las reparaciones de los dispositivos afectados, beneficiando

económicamente a la empresa, ya que es más conveniente hacer el cambio de BGA que

comprar todo el dispositivo.

Tecnológica: En la actualidad el mercado nacional peruano, no se han desarrollado

máquinas, que permitan el trabajo con dispositivos de tecnología BGA, existen maquinas

manufacturadas en el extranjero, aquí en Perú hay empresa que importan para luego

venderlas pero con alto costo bordeando desde los 5000 hasta los 7000 dólares, así pues

el desarrollo del proyecto permitirá un aporte al desarrollo tecnológico para los servicios

técnicos, talleres de electrónica empresas dedicadas a las reparaciones con estas nuevas

tecnologías de integración que son los BGA.

Social: El proyecto servirá como guía a estudiantes, ingenieros con conocimientos de

electrónica que si se pueden desarrollar maquinas o prototipos básicos, lo cual incentiva

la capacidad y las aptitudes para la solución de problemas que van de la mano con la

evolución de los equipos electrónicos.

4

Medio Ambiental: Este proyecto se justifica en el desarrollo de una práctica común dentro

del campo de la electrónica, que es conocida por todos en este rubro, brindando una

solución efectiva en el cambio de componentes BGA, para la reutilización de equipos

averiados, logrando así el disminuir el chatarreo electrónico y colaborando con la

conservación del medio ambiente, para que la población no se afecte por los cambios

climáticos que tienen como razón la contaminación.

1.5. Estudio de Viabilidad

1.5.1. Viabilidad Técnica

Esta viabilidad nos permite conocer todos los recursos necesarios más óptimos para el

desarrollo del proyecto además de las capacidades necesarias para la realización y

culminación del proyecto teniendo esto claramente detallado será más factible su

culminación.

1.5.1.1. Características del Hardware Disponible para el Desarrollo

Características de los equipos y herramientas disponibles actualmente para el desarrollo

del prototipo.

Tabla 1. Equipos y herramientas disponibles.

Equipo / componente Marca Característica Disponible En Perú

Laptop 1 Asus 550 Core i7,4G,1TB, Disponible

Laptop 2 HP 15 AMD ,2G,250GB Disponible

Multímetro, Prasek Premiun Mide Temperatura Disponible PR-85

Osciloscopio takemma

Estación de soldadura Peltron 852D+ Aire caliente:<500ºC Disponible

cautin goot 60W,30W Disponible

Pistola de calor 1000W Disponible

microcontroladores Microchip Gama Media Disponible

Sensor de temperatura Termocupla tipò K Disponible

Display 20x4 segmentos Disponible

Relay de estado solido Fotek 20A Disponible

Resistencia calefactora 500W Disponible

Fuente: Elaboración propia

5

De la tabla podemos decir que se cuenta con la tecnología necesaria para desarrollar la

máquina, además los equipos y componentes son distribuidos comercialmente en Perú.

1.5.1.2. Experiencia y Conocimiento del Equipo de Desarrollo

Recurso Humano, experiencia y conocimiento del equipo de desarrollo se especifica a

continuación:

Tabla 2. Experiencia y conocimiento del equipo de desarrollo

Recurso Humano Asesor ISP

Docentes ISP

Autor de ISP

Diagnóstico y reparación de dispositivos electrónicos

Experiencia Instrumentos de medición Diseño e implantación de circuitos electrónicos

Programación en C y Matlab

Conocimientos Lenguaje de programación de medio y alto nivel

Programación en diseño y diagramas de circuito impreso.

Sistemas de control automático


En la tabla anterior se detalla el recurso humano del que se dispone para el desarrollo del

proyecto, Asesor ISP como guía en cada una de las etapas en que está dividido el

proyecto, los docentes ISP brindado sugerencias y opiniones que faciliten el continuo

avance en el proyecto y el autor ISP en la investigación, modelamiento, análisis, diseño,

simulación y ensamblaje del proyecto.

Podemos decir entonces que se disponen con el recurso humano calificado e idóneo

técnicamente, capaz de llevar a buen fin el proyecto, también poseen el conocimiento

necesario para cumplir con los objetivos requeridos y concluir con éxito dicho proyecto.

1.5.2. Viabilidad Económica

Todo el desarrollo del proyecto es realizado en su totalidad por el autor, diseño de

hardware, software, programación, selección y compra de componentes entre otros, con

el fin de desarrollar el conocimiento y habilidades adquiridas durante los años de estudio.

Por lo tanto, el desarrollo del proyecto será totalmente solventado con medios propios.

6

CAPITULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes

Simbaña (2019) en su trabajo de tesis con el título “Diseño del prototipo de una máquina de

suelda BGA para re manufactura de placas electrónicas”, teniendo como objetivo desarrollar

el prototipo de una máquina de re manufactura de chips BGA. Se procedió a utilizar el método

deductivo, estudiando máquinas ya existentes en el mercado como referencia, haciendo un

breve estudio de su estructura interna, adicionalmente se utilizó la técnica de revisiones

bibliográficas que son necesarias para buscar información de varias fuentes, las que

permitieron conocer trabajos anteriormente presentados para mejorar la problemática actual y

así recopilar datos para la realización de una propuesta innovadora. El resultado de este

proyecto demuestro que, si es posible crear dispositivos electrónicos de bajo costo para

reemplazar maquinarias importadas de alto valor comercial, incluso con proyección de un

desarrollo comercial. El prototipo cumple la función de soldar y desoldar un chip BGA,

brindando además otras posibles funciones (para futuros proyectos).

Suescún (2018) realizo un proyecto de tesis titulado “Diseño e implementación piloto de una

de estación de soldadura para elementos DIP, SMD y BGA”, la cual tuvo como objetivo

diseñar y elaborar una estación de soldadura para circuitos de SMD y BGA controlada por

microcontrolador con función Ajustable. El tipo de investigación aplicada fue el método no

7

experimental con un enfoque mixto se observa el comportamiento de las variables

cualitativas y cuantitativas que intervienen en el proceso de soldado para su control, tanto

las variables físicas de los elementos a soldar como las térmicas requeridas para realizar

la labor de soldado y desoldado.

Los resultados obtenidos con respecto al control de temperatura fueron los más óptimos

ya que se pudo desarrollar un algoritmo basada en control PID. Regulando

adecuadamente el sistema.

Herranz (2017) realizo una investigación titulada “Diseño y construcción de horno para

soldadura por refusión”, la cual tuvo como objetivo el diseño de un horno para soldadura

de componentes de montaje superficial (SMD) en placas de circuitos impresos (PCB).

El trabajo de soldadura de los componentes SMD los pudo realizar mediante un horno

comercial que adapto y modifico para semejarse a los hornos de refusión industrial.

Además, realizo un diseño PID para controlar el proceso de soldadura.

Teniendo como resultado un sistema que monitorea a tiempo real el correcto seguimiento

térmico del proceso de una forma clara y sencilla para que cualquier operario sea capaz

de hacer uso de él.

Leal (2016) realizo el estudio titulado “Simulación de la transferencia de calor en tarjetas

de circuito Impreso FR-4 durante el proceso de reflujo”, Teniendo como objetivo minimizar

los problemas generados por el proceso de reflow que sufre una tarjeta de circuito

impreso, para ello hay que conocer los comportamientos del PCB que sufre en el

proceso, utilizó el análisis de elementos finitos para obtener los resultados y predecir de

manera estimada las distorsiones que pueden sufrir las PCBs.

Tuvo como método la simulación termo-mecanismo de un PCB de marera real con un horno y

un PCB para luego hacer la simulación mediante software utilizando Ansys Workbench.

8

Como resultado se pudo hacer una simulación de la deformación del PCB en base a los

datos obtenidos del perfil de temperatura tomados en la superficie del PCB

De los resultados obtenidos por los estudios realizado podemos afirmar que para poder

realizar un proceso térmico de componentes con tecnologías SMD o BGA se necesitan

diseñar sistemas de control de temperatura basándose en controladores PID para un mejor

control en estos procesos además se afirma que los procesos de control de temperatura

deben de respetar un perfil térmico en los componentes con estas tecnologías.

2.2. Tecnologías/técnicas de sustento

A continuación, describiremos el sistema a desarrollar basándonos en los criterios

técnicos obtenidos de los resultados de los antecedentes, así como también guardar

relación, con los objetivos específicos.

Se desarrollará los fundamentos teóricos del sistema propuesto:

• Conceptos básicos.

• Parámetros a considerar para un proceso de soldadura de refusión.

• Etapa de sensado y acondicionamiento.

• Etapa de potencia y transmisión térmica.

• Etapa de control, periféricos y diseño de algoritmo PID.

2.3. Conceptos básicos

2.3.1. Sistema de control

Un sistema es una agrupación de elementos coordinados entre sí para cumplir un

conjunto de objetivos y que control significa la modificación de las variables para poder

lograr un objetivo deseado, un sistema de control sería la agrupación de elementos

coordinados entre sí para obtener la modificación de las variables con el fin de obtener un

objetivo deseado.(Moya, 2018)

9

2.3.2. Sistema de control de temperatura

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático del control de temperatura de un horno

eléctrico. El termómetro mide la temperatura del horno eléctrico de manera análoga, esta

medición tiene que ser convertida a temperatura digital mediante un convertidor A/D. La

temperatura digital es inyectada al controlador atreves de un interfaz para ser comparada

con la temperatura deseada si hay algún error el controlador corrige este error hasta

obtener la temperatura deseada enviado una señal a la resistencia calefactora atreves de

un interfaz, un amplificador y relé.(Ogata, 2010)

Figura 1. Sistema de control de temperatura

Fuente:(Ogata, 2010)

2.3.3. Sistema de control en lazo abierto

La Figura 2 muestra un sistema de control en lazo abierto. Un sistema de control de lazo

abierto es aquel sistema donde la salida no va a ser comparada con algún valor deseado

por que no hay retroalimentación. Tomemos como ejemplo una lavadora. El proceso de

remojo, lavado y centrifugado dependen del tiempo (señal de entrada) y no de que tan

limpia esta la ropa (señal de salida).(Ogata, 2010)

10

Figura 2. Sistema de lazo abierto

Fuente:(Kuo, 1996)

2.3.4. Sistema de control en lazo cerrado

La Figura 3 muestra un sistema de control en lazo cerrado. Los sistemas de este tipo se

caracterizan por que el controlador es alimentado por la señal de error como

consecuencia de la comparación de dos señales, retroalimentación y entrada, este

proceso logra reducir el error, obteniendo así una salida deseada.(Ogata, 2010)

Figura 3. Sistema de control en lazo cerrado

Fuente:(Kuo, 1996)

2.3.5. Componentes del Sistema de Control

Un sistema de control como se muestra en la Figura 4 está conformado básicamente de

los siguientes elementos o etapas:

• Transductor (Sensor).

11

• Controlador.

• Actuador.

La función principal de estas etapas es lograr necesariamente las tres operaciones

elementales de los sistemas de control, las operaciones mencionadas son:

1. Medición: esta operación es realizada por el transductor (sensor), elemento

que realiza la medición de la variable que se desea controlar.

2. Decisión: la decisión de lograr que la variable resulte la deseada, la toma el

controlador pues esta depende de la medición tomada.

3. Acción: inmediatamente después de la decisión tomada por el controlador,

necesariamente se efectúa un cambio en el sistema obteniendo así el valor

deseado.

Los sistemas de control en general deben de realizar necesariamente estas tres

operaciones básicas, las decisiones de control pueden ser tomadas en ambos sistemas

abierto o cerrado.(Moya, 2018)

Figura 4. Elementos básicos de un sistema de control retroalimentado

Fuente: (Moya, 2018)

2.3.6. Actuador

Se denomina actuador al elemento que modifica una energía en otra, por ejemplo;

eléctrica a calorífica, realizando un trabajo que afecta significativamente al proceso. Las

señales enviadas desde un controlador hacia el actuador permiten habilitar los elementos

de manera que sean controlables.

12

El tipo de actuadores usados hoy en día es muy variado y va a depender del tipo de señal

que se quiera utilizar, entre ellos:

1. Eléctricos. La función principal de este actuador radica en controlar la energía

eléctrica.

2. Neumáticos. Tiene como función controlar el aire.

3. Hidráulicos. Tiene como función controlar los fluidos.

4. Electrónicos. Tiene como función el controlar el funcionamiento de las

maquinas eléctricas mediante los dispositivos de potencias (semiconductores).

2.3.7. Transductor

Elemento que modifica un evento físico por ejemplo la temperatura, en otra forma de

señal. Para que se produzca tal efecto, el elemento capta un dato de entrada

trasformando esta señal en una salida muy diferente a la de entrada. Se pueden clasificar

por dos tipos de funciones:

a. En función de sus características estructurales

• Directos: El elemento es colocado directamente en el objeto a medir

• Indirectos: No hay contacto del elemento con el objeto a medir.

b. En función de su comportamiento

• Activos: No necesitan alimentación de energía para su funcionamiento.

• Pasivos: Si requieren de alimentación de energía para su funcionamiento.

2.3.8. Controlador

El objetivo principal del controlador es realizar la comparación entre una señal de un evento

físico y una señal asignada en la entrada set point, en esta comparación se determina cuanto

es el error para luego generar una señal que minimice esta diferencia y aproximarla a cero. La

ejecución de la señal de control está definida como acción de control. Por lo

13

general la salida de una señal de un controlador se inyecta o distribuye a un

actuador.(Moya, 2018)

2.3.9. Acciones de control

Acción proporcional. Los sistemas de acción proporcional se fundamentan en mantener

linealmente una relación continua entre un valor de la señal controlada y la posición del

elemento actuador.

Acción integral. Esta acción tiene como objetivo activar los dispositivos de control

atreves de una velocidad constante con esto se elimina el error, la velocidad con que se

activa el elemento a controlar es proporcional al error que existe en el sistema.

Acción proporcional-integral. En esta acción se disminuye el tiempo de subida,

aumentando el sobre impulso y el tiempo de estabilización además el error de estado

estable es eliminado.

Acción proporcional-integral-derivativo. Esta acción es el resultado de las sumas de

las acciones de control mencionadas como consecuencia de la retroalimentación.

2.3.10. Componente BGA

Los encapsulados BGA (Ball Grid Array) como se aprecia en la Figura 5 son

componentes electrónicos que tienen pines de contactos en la superficie inferior del

integrado distribuidos en forma de cuadriculas, esta distribución hace que los pines no

sean visibles, pero permite mayor facilidad para los diseños de tarjetas

electrónicas.(Tecnología BGA | Soldadura SMD con tecnología BGA, s. f.)

14

Figura 5. Encapsulado BGA

Fuente: (Tecnología BGA | Soldadura SMD con tecnología BGA, s. f.)

Ventajas de los BGA:

• Mayor cantidad de entradas y salidas.

• Los contactos en forma de bolas son sensibles a la soldadura.

• Mayor escala de integración y diseños de footprint pequeños-

• Totalmente compatible con las formas de diseño existentes.

• Altamente funcional.

• Las propiedades térmicas y físicas de los diseños se ven mejoras.

• En el proceso de la fusión, las bolillas se auto alinean.

Inconvenientes:

• La inspección y chequeo de los contactos durante y después de la soldadura

es dificultosa.

• Por su estructura y distribución de pines solo se pueden ver los contactos en el

contorno

• La verificación de una buena soldadura se realiza con equipos de rayos X.

15

2.4. Parámetros a considerar para un proceso de soldadura de refusión.

Un perfil adecuado para la soldadura de un componente tiene como requisito las

siguientes características:

• Punto de fusión: En este punto las temperaturas bordean entre los 183°C y 217°C

dependiendo de la aleación a trabajar, en esta fase el material solido pasa a líquido.

• TAL: Time Above Liquidus. Tiempo por encima de la temperatura de fusión, se

estima entre 60 y 150 segundos.

• PPT: Package Peak Temp. Temperatura tomada en la superficie del componente,

con este límite de temperatura se evita dañar el componente, depende del tamaño

y grosor, sus temperaturas están entre 245 °C y 260 °C.

• SJT: Solder Joint Temp. Temperatura ideal que permite una junta entre el terminal

del componente y la superficie del PCB, las temperaturas para una aleación con

plomo SnPb es de 225°C y 235°C y para aleación sin plomo SnAgCu está entre

234°C y 245°C. Mantener alrededor de 10 segundos es lo ideal.

El perfil de temperatura debe contemplar las siguientes etapas y condiciones:

• Precalentamiento: Calentamiento previo de la placa y componente BGA de

manera uniforme previamente a la activación del flux, se aconseja que las

variaciones de temperatura no sean más de 1°C/s.

• Activación del flux: Punto en el cual la temperatura inicia a los 150°C para

terminar a los 200°C, los fabricantes recomiendan mantener este proceso entre

los 60 a 120 segundos.

• Reflow: Es la zona donde el componente y la PCB se sueldan.

• Enfriamiento: Zona en la cual el componente y la placa sufre la pérdida de calor

por efecto del cambio de temperatura llegando a la temperatura del ambiente, el

enfriamiento debe ser de manera controlada para no dañar los componentes.

16

• Ramp-up: También conocido como pendiente de crecimiento es el punto máximo

recomendado en un perfil térmico, después del precalentamiento y activación del

flux es necesario no exceder de 3°C/s a 6°C/s, en este punto.

• Ramp-down: Conocida también como la etapa de enfriamiento o pendiente de

caída.

Figura 6. Perfil de temperatura deseado

Fuente:(Brengi et al., s. f.)

Todo el proceso de soldadura entre un componente BGA y la placa debe de tener un

tiempo duración máxima de ocho minutos, iniciando en el precalentamiento hasta el punto

máximo de temperatura recomendada.

2.5. Etapa de sensado y acondicionamiento de temperatura

Esta etapa se encarga de interpretar lo que está ocurriendo en el proceso, la variable que

queremos medir es la temperatura por lo tanto se requiere convertir una señal analógica a

una señal eléctrica compatible con el dispositivo de control.

17

2.5.1. Termopar

Los termopares son dispositivos para medir temperaturas, desde los 0°C, hasta los

3000°C. La aproximación en la medición llega hasta 0.1°C, en ciertos tipos de

termopares. Los tres más comunes son las de tipo J, K y T.

Para escoger el tipo de termopar es indispensable conocer, el rango de temperaturas y el

tipo de atmosfera en que se instalara.

2.5.1.1. Termopar tipo K

El termopar tipo k está conformado por la unión de dos metales el cromel y alumel, este

termopar viene en diferentes modelos y variaciones de sondas siendo de gran uso en el

ambiente industrial, la característica principal es que pueden soportar grandes rangos de

temperaturas, desde los -200°C hasta más de 1350°C con una sensibilidad de 41 uV/°C.

2.5.2. Acondicionador de señal

Para mejorar el comportamiento de una señal en un proceso de adquisición de datos se

usan diseños electrónicos que permitan transformar una señal de entrada amplificándola

y teniendo una señal de salida compatible y fácil de interpretar con el dispositivo que

registre los datos adquiridos, como son los microcontroladores o dispositivo de control.

2.5.3. AD595

El AD595 del fabricante Analog Devices, Figura 7. Permite realizar todas las etapas de

acondicionamiento de señal, se caracteriza por amplificar la señal y realizar la compensación

de temperatura, la señal proveniente de la termocupla, una señal débil es amplificada en una

señal lineal más alta, de factor 10 mV/°C; con lo cual, para conocer la temperatura en la

termocupla tipo K, se multiplica por el valor del factor de escala 100 °C/V.

18

Figura 7. Conexión básica del AD595

Fuente:(Analog Devices, s. f.)

2.6. Etapa de potencia y generación de calor.

Esta etapa es la encargada de proveer el calor necesario a ambas caras del PCB, de igual

forma al componente BGA, está conformado por un par de actuadores térmicos (resistencia

calefactora), controlados por un interruptor electrónico un relay de estado sólido (SSR).

2.6.1. Mecanismos de transferencia de calor

“La transferencia de calor de un cuerpo se puede transferir de tres formas, la conducción,

convección y radiación, para que se cumpla esta condición debe de existir una variación o

diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio que lo rodea desde una temperatura

más elevada hacia una de temperatura más baja”. (Cengel, s. f.)

En la Figura 8 se pude observar los tres métodos de transferencia de calor.

Figura 8. Métodos de transferencia de calor

Fuente : (transferencia de calor, s. f.)

19

• Conducción: La conducción es la transferencia de energía de las partículas más

energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como

resultado de interacciones entre esas partículas.

• Convección: La convección es el modo de transferencia de energía entre una

superficie sólida y el líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende

los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos.

• Radiación Emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas como

consecuencia de las configuraciones de sus átomos o moléculas.

Formulas a usar:

Propiedades del aire a la temperatura de película:

T = 1 (T + T )

(1)

f

2

s∞

Transferencia de calor por convección natural:

Qconv = hAs(Ts + T∞) (2)

Donde: =Temperatura de la superficie

∞ =Temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie ℎ = Coeficiente promedio de transferencia de calor sobre la superficie. = Área superficial

El número promedio de Nusselt Nu en la convección natural para una superficie inferior

de una placa caliente:

Nu = 0.27RaL1/4 (3)

20

Número de Rayleigh: Ra = gβ(Ts−T∞)L3

L V2

Donde: = Aceleración de la gravedad = Coeficiente de expansión volumétrica = Viscosidad cinemática del fluido = Longitud característica de la configuración geométrica

Longitud característica de las superficies horizontales:

LC = APs

Qrad = εAs( 4 + 4)

Donde: = Perímetro

(4)

(5)

(6)

2.6.2. Relé de estado sólido (SSR)

El relé de estado sólido es un dispositivo electrónico muy similar a un contactor mecánico,

pero con la diferencia que está diseñado con circuitos electrónicos por este motivo son

llamados de estado sólido, además hay una completa aislación entre la parte de la carga

a controlar y la parte de control, tienen una rápida conmutación por lo mismo de su diseño

electrónico.

21

2.7. Etapa de control, periféricos y diseño de algoritmo PID

Esta etapa encargada de realizar los procesos lógicos matemáticos, recibiendo datos del

exterior para controlar los procesos requeridos por el sistema. Cuentan con entradas y

salidas para la transmisión y recepción de datos.

2.7.1. Periféricos

Los periféricos son dispositivos electrónicos que permiten una forma de comunicación

entre la máquina y el usuario, se caracterizan por ser de entrada como los teclados,

mouse y de salida monitor, Lcd. Todos estos dispositivos permiten la interacción con el

entorno.(Que es un periférico, 2007)

2.7.2. Algoritmo de control

“Agrupación ordenada y definida de instrucciones que realizadas de manera sucesivas

permite ejecutar una actividad de control, tal algoritmo de debe ser claramente entendible

para su realización Todas la instrucciones deben de realizarse sucesivamente y están

definidas entre un principio y un final”.(Kuo, 1996).

22

CAPITULO 3

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN

3.1. Estructura de trabajo

A continuación, se muestra en la Figura 9 el EDT del proyecto a desarrollar.

Figura 9. EDT del Proyecto

Fuente: Elaboración Propia

23

3.1.1. Diagrama de bloques

Como podemos ver en la Figura 10 se muestra el diagrama de bloques general y las etapas

correspondientes a desarrollar.

FUENTE DE ENERGIA DEL

SISTEMA

PERIFERICO

VISUAL

ACONDICIONAMIENTO DE SENSOR BGA TEMPERATURA DE

SENSOR BGA

CONTROL ACONDICIONAMIENTO DE

SENSOR PCB TEMPERATURA DE SENSOR PCB

PERIFERICO

DE ENTRADA

SISTEMA DE POTENCIA PARA ACCIONAMIENTO ACTUADOR SUPERIOR

DE ACTUADOR SUPERIOR

SISTEMA DE POTENCIA

PARA ACCIONAMIENTO DE ACTUADOR INFERIOR ACTUADOR INFERIOR

ETAPA DE SENSADO Y ETAPA DE CONTROL

ETAPA DE POTENCIA Y

ACONDICIONAMIENTO GENERACIÓN DE CALOR

Figura 10. Diagrama de bloques detallado


3.2. Diseño de la etapa de sensado y acondicionamiento

3.2.1. Sensor de temperatura

En el apartado 2.4. Figura 6 podemos observar que, para realizar la soldadura del

componente, se debe de seguir un perfil de temperatura similar o igual, por lo tanto, el

24

sensor de temperatura debe tener la capacidad de medir desde una temperatura inicial

10°C hasta un máximo 300°C, sin alimentación externa y una precisión +/- 1°C. En base

a los requisitos técnicos, se analizaron los siguientes sensores:

Tabla 3. Cuadro comparativo de sensores

Tipo de sensor Rango de

Precisión Otras características Costo Foto temperaturas

No requiere alimentación. Termocupla tipo K 0°C a 400°C -/+ 1.6°C Cable blindado de 1m. S/. 15.00

Conversión 10mv/°C

Si requiere alimentación. LM35 -55°C a 150°C -/+ 0.5°C No lleva cable blindado. S/. 8.50

Conversión 10mv/°C.

No requiere alimentación. TPM36 -40°C a 150°C -/+ 2°C No lleva cable blindado. S/. 20.00

Conversión 10mv/°C.

No requiere alimentación. TC74 -40°C a 125°C -/+ 3°C No lleva cable blindado. S/. 15.00

Resolución 8 bits.


Del análisis comparativo la termocupla tipo K alcanza los rangos de temperaturas

necesarios para el proceso a realizar, no requiere alimentación externa, tiene un cable de

1m con blindaje, además se aproxima en precisión a +/- 1°C.

3.2.2. Acondicionamiento

El sensor seleccionado (termocupla tipo k) debe ser adaptado a un sistema de

adquisición y control datos, las señales obtenidas del sensor no pueden aplicarse

directamente al dispositivo de control, estas señales necesitan un proceso de

acondicionamiento, para poder ser interpretada por el controlador. Para ello las señales

deberán ser amplificadas, filtradas, con los componentes más adecuados y poder así

obtener rangos de voltajes óptimos para el diseño ya que unos sensores con rangos de

voltajes más altos pueden obtener mayor resolución.

25

Usaremos tecnología de circuitos integrados, para minimizar en el diseño de la placa, los

datos sensados serán por el puerto analógico del controlador así solamente usaremos

una sola línea en los pines del controlador, deberá gestionar tensiones muy bajas y hacer

la compensación de unión fría.

En base a los requisitos técnicos, se analizaron los siguientes acondicionadores:

Tabla 4. Cuadro comparativo de acondicionadores

Tipo Lectura de resolución Rango de Otras características costo foto datos voltajes

Bajo costo.

1 pin al puerto Consumo < 1mW.

AD595 10mV/°C 5V a 15V Amplificador interno. S/. 7.00

analógico

Compensación de unión

ría.

Medición hasta 1024°C.

MAX6675 3 pines SPI 12 bits a

3.3V a 5V Consumo 7.5 mW.

S/. 20.00

0.25°C Compensación de unión

ría.


Analizando ambas tecnologías AD595 y MAX6675 para el acondicionamiento del sensor de

temperatura, se puede observar mucha similitud. En precisión, rango de voltajes,

compensación de unión fría, salvo en 3 características que definieron el uso del AD595 siendo

lectura de dato 1 pin por puerto del controlador, el consumo y la diferencia del costo.

26

3.2.3. Diagrama esquemático

El diagrama esquemático de la etapa de sensado se realizó con el programa de diseño y

simulación Proteus, en la Figura 11 se puede ver el diagrama terminado.

Figura 11. Sensor y acondicionamiento


3.2.4. Simulación y grafica

En la tabla 5 se muestra las simulaciones por software y su implementación.

Tabla 5. Cuadro de simulaciones

18°C equivalen 180mv 18.07°C equivalen 187.3mv

30°C equivalen 300mv 30.76°C equivalen 307mv


27

En la Figura 12 podemos ver la gráfica que se obtuvo al simular la etapa de sensado.

Figura 12. Grafica del sensor de temperatura


En la Figura 13 y 14 podemos ver el diseño del PCB terminado con el software Proteus.

Figura 13. Diseño de PCB con software Proteus


Figura 14. Placa sensado y acondicionamiento


28

3.3. Diseño de la etapa de potencia y generación de calor

3.3.1. Resistencia calefactora (precalentado, actuador inferior)

Los sistemas de control de temperatura necesitan dispositivos que permitan transferir calor,

ya sea con resistencias metálicas o no metálicas. En este diseño utilizaremos un calefactor de

tubos de cuarzo comercial debido a que es más accesible y funcional para el sistema.

La etapa de generación de calor es análoga al sistema de un horno, tomaremos estos

principios para calcular la potencia necesaria.

Para realizar una adecuada selección del calefactor, se establecieron las siguientes

consideraciones:

• Dimensiones del calefactor en base a la tarjeta (PCB) a trabajar Figura 15.

• Voltaje de red 220 VAC.

• Cantidad de calor a impartir a la carga.

Figura 15. Dimensiones del calefactor


3.3.1.1. Cantidad de calor a impartir a la carga = +

Las propiedades del aire a la temperatura de película de la ecuación 2. Tf = 0.5(500 + 200) = 350°C

(7)

(8)

Con el valor obtenido verificamos la tabla de propiedades del aire a la presión de 1 atm.

29

Figura 16. Tabla de propiedades del aire

Fuente: (Cengel, s. f.)

Se tomarán los valores de la tabla 6 y Figura 16 para mayor detalle ver ANEXO 1.

Tabla 6. Propiedades del aire

Propiedades del aire a 350°C

(° ) ( / ° ) Pr ( / )

350 0.04721 0.6937 5.475∗ 10−5

Fuente: elaboración propia

1 1 1

=

=

=

273 + 350 623°

Haciendo los cálculos tenemos:

Hallando el número de Rayleigh de la ecuación 4:

9.81∗( 1 )(500−200)(0.15)3

6 623

RaL =

∗ (0.6937) = 3.7 ∗ 10

(9) −5 2

(5.475∗10 )

30

Número de Nusselt para una superficie horizontal caliente hacia abajo de la ecuación 3:

Nu = 0.27 ∗ (3.7 ∗ 106) 1

= 11.83 (10)

4

Longitud de la superficie horizontal de la ecuación 5:

= = 0.15 = 0.0375

(11)

4 4

Entonces hallando el coeficiente h:

h = ∗ = 0.04721 ∗ 11.83 = 14.89( / 2° ) (12)

0.0375

Transferencia de calor por convección de la ecuación 2:

= 14.89 ∗ 0.152 ∗ (500 − 200) = 106 (13)

Transferencia de calor por radiación de la ecuación 6:

Suponiendo que la superficie de la placa sea negra (emisividad =1) y las superficies interiores de las paredes del cuarto estén a la temperatura ambiente.

= 1 ∗ 0.152 ∗ 5.67 ∗ 10−8[(773)4 − (473)4] = 391 (14)

Reemplazando de las ecuaciones 13 y 14 en la ecuación 2 se tiene:

= 106 + 391 = 497 (15)

31

El flujo de calor que debe suministrar el calefactor debe ser 497W, se escogió el

calefactor comercial de cuarzo, con 800w totales cada tubo de cuarzo provee 400W, de la

marca Practika, en la tabla 7 se muestra sus características.

Tabla 7. Características del calefactor

Características foto

Potencia 800W

Tensión de trabajo 220VAC

Dimensiones 35*25*12

Costo S/. 40.00


3.3.2. Resistencia calefactora (actuador superior)

Para poder retirar el componente BGA de la superficie superior de la tarjeta que se

encuentra ya precalentada entre 150°C a 160°C, se necesita que los contactos entre el

componente y el PCB lleguen a la zona de activación del flux y seguidamente a la zona

de reflow o refusión, de 160°C hasta 245°C, para ello utilizaremos una pistola de calor de

la marca Hot air Gun sus características se muestra en la tabla 8.

Tabla 8. Características de la pistola de calor

Características foto Potencia 2000W

Tensión de trabajo 220VAC Temperatura 50°C -600°C

Costo S/. 70.00


3.3.3. Accionamiento de los actuadores

Esta etapa se encarga de suministrar la energía requerida al calefactor y a la pistola de

calor, cada actuador es independiente al igual que el control, utilizaremos la técnica de

32

modulación por ancho de pulso PWM, permitiendo así que los actuadores generen el

calor adecuado para el proceso de soldadura.

3.3.3.1. Relé de estado sólido (SSR)

El relé de estado sólido que utilizaremos dependerá de cada consumo que requiera cada

actuador además un voltaje 5V para el control:

• Calefactor seleccionado consume 800W.

• Pistola de calor seleccionada consume 2000W.

De estos dos requisitos se calcularán la intensidad de corriente de cada actuador de

acuerdo a los resultados haremos la selección.

Calculando la intensidad de corriente para el calefactor:

P = I ∗ V [W] (16)

Despejando I y reemplazando valores tenemos:

I = 800

= 3.64 A (17)

220

Análogamente para la pistola de calor:

I = 2000 = 9.1 A (18)

220

De los resultados podemos observar que el calefactor consumé de 3.64A y la pistola de

calor 9.1A. Por lo tanto, el SSR a escoger debe de brindar más de las exigencias

requeridas por cada actuador.

Para este fin utilizamos el dispositivo SSR de la marca Fotek el fabricante ofrece estos

productos en modelos ya definidos de fábrica de 10A, 25A, 40A para nuestro sistema

33

utilizaremos el modelo SSR-25DA se definen sus características y costo en la tabla 9 para

más detalle ver ANEXO 2.

Tabla 9. Características y costo

Tipo Tipo de Terminal Foto

Modelo SSR-25DA

Corriente de carga 25A

Dato de Entrada

Voltaje de operación 3-32VDC

Dato de salida

Voltaje de Operación 24-380VAC

Costo

Unidad S/. 30.00


3.3.4. Diagrama pictórico

El diagrama pictórico realizado muestra, la conexión de todos los componentes para

la etapa de potencia como se puede ver en la Figura 17.

Controlador

Pistola de

calor SSR

Termocupla K

Sen

sor

Termocupla K

SSR Calefactor

Figura 17. Etapa de potencia y calor


34

3.3.5. Simulación

Realización de la simulación de la etapa de potencia con señal de PWM para el control

de los SSR. Como se puede ver en la Figura 18.

Figura 18. Simulación con señal PWM


3.4. Diseño de la etapa de control

3.4.1. Controlador

La realización de los diseños anteriores nos define la cantidad de puertos de entra y

salida que vamos a usar para nuestro sistema la tabla 10 muestra los requerimientos

para la elección del microcontrolador.

Tabla 10. Requerimientos del Microcontrolador

Tipo de señal Caracterisitica Pines Dispositivo

Salida Digital 7 LCD

Entrada Digital 6 Botones

Entrada Lectura analogica 2 Sensores

Salida Pwm 2 SSR

Salida /Entrada Transmision datos 2 PC

Salida/entrada Digital 6 Reserva


35

2 pines

Analogicos IN

Controlador

Figura 19. Entradas y salidas del controlador


De la Figura 19 y de los puntos 1y 6 podemos definir los requisitos necesarios para la

elección del controlador:

En el transcurso de la etapa estudiantil como parte del sílabus se aprendió a desarrollar

proyectos con PIC, programación en C para estos dispositivos, por esta razón se hace

más factible trabajar con estos componentes además que cumplen con los requisitos que

pide el sistema a desarrollar.

Utilizaremos el PIC16f887 de Microchip para el control general del sistema en la Figura

20 podemos ver el microcontrolador.

Figura 20. Microcontrolador pic16f887

Fuente: (PIC16F887 | Nextia Fenix, s. f.)

36

En la Figura 21 podemos ver la distribución de entradas, salidas y características

principales para mayor detalle ver ANEXO 3.

Figura 21. Pines Pic16f887

Fuente:(Microchip, s. f.)

3.4.2. LCD

Para poder visualizar las temperaturas del proceso de soldadura usaremos un lcd de

resolución 20x4 como se muestra en la Figura 22.

Características Foto

Pantalla LCD

20 caracteres, 4 líneas Fondo azul retroalimentado Letras en blanco

Costo

s/: 25.00

Figura 22. Lcd Características

Fuente:(Pantalla LCD 20x4 2004 Retro iluminado Fondo Azul, s. f.)

37

3.4.3. Diseño de control PID

3.4.3.1. Función de transferencia del calefactor

Realizaremos la adquisición de datos del comportamiento dinámico del calefactor, con estos

datos capturados del proceso real (identificación experimental), podemos obtener la función

de transferencia del calefactor y así poder representar matemáticamente la dinámica del

calefactor. Para la identificación experimental se tuvo que implementar un circuito que capture

los datos atreves de un sensor de temperatura procesarlos y trasmitirlos por puerto serial para

luego ser capturados por el software versión Matlab2016a en tiempo real, para obtener la

función de transferencia se realizaron los siguientes pasos:

• Toma de datos por medio de la termocupla tipo K.

• Para la prueba aplicamos una señal de escalón de 150°C durante

aproximadamente 1500 segundos como se puede ver en la figura 20.

• Los datos obtenidos fueron tratados por la herramienta System Identification del

MATLAB para luego obtener la función de transferencia.

Todos los códigos para el tratamiento de las señales en matlab se pueden ver en el

ANEXO 4 que también son de acceso libre, diseñados por la página web consultada

(control automatico educaion, 2019)

La Figura 23 muestra la toma de datos de la termocupla además se le aplicó una señal de

escalón de 150°C, el proceso de adquisición de datos tuvo una duración de 1500 segundos.

38

Figura 23. Lectura de temperatura y señal escalón de 150 por 15000 segundos.


En la Figura 24 se pueden ver las variables obtenidas en Matlab.

Figura 24. Variables de la curva de reacción


La grafica mostradas en la Figura 23, la curva de reacción empieza aproximadamente en

20, para poder identificar fácilmente trasladaremos la curva de reacción en 0, para eso

utilizaremos las variables ya obtenidas y procesarlas nuevamente en Matlab como se

pueden ver en la Figura 25.

39

En la Figura 25 se puede ver la curva de reacción trasladada a su punto 0.

Figura 25. Curva de reacción con datos traslados


Nuevas variables obtenidas mostradas en la Figura 26.

Figura 26. Variable trasladas


40

Importaremos las variables obtenidas como se puede ver en la Figura 26 al toolboz de

System Identification del Matlab.

Las variables trasladadas entrada ut, la salida yt, iniciando desde 0 con un tiempo de

muestreo de 1 segundo como se puede ver en la Figura 27.

Figura 27. Toolboz de System Identification del Matlab.


Le asignaremos una función de transferencia de primer orden, por la gran similitud que se

tuvo en la grafía de reacción del proceso experimental como se puede ver en la Figura

28.

Figura 28. Asignación de primer orden


41

En la Figura 29 se puede observar que el proceso de estimación da un resultado del

94.08%

Figura 29. Proceso de estimación


En la Figura 30 podemos ver el resultado de la función de transferencia del proceso

experimental realizado.

Figura 30. Función de trasferencia obtenida con Matlab


3.4.3.2. Diseño del controlador PID

Habiendo obtenido la función de transferencia, se desarrollará el diseño del PID, con las

reglas de Ziegler-Nichols para hallar los parámetros del controlador Kp, Ti, Td.

42

Expresión matemática para modelos de primer orden:

G(s) = −

+1

Donde:

= la ganancia del proceso

= el tiempo de retardo

= constante de tiempo

De la función de transferencia hallada como se muestra en la ecuación 20. G(s) = 1.9155 −1.357

95.093 +1

Tenemos lo siguiente datos:

= 1.9155

= 1.357 seg

= 95.093 seg

(19)

(20)

Para obtener los parámetros se utiliza las fórmulas de la tabla de Ziegler-Nichols como se

puede ver en la Figura 31.

Figura 31. Parámetros del controlador de Ziegler-Nichols

Fuente: (Betancor et al., s. f.)

43

Controlador PID:

(s) = kp (1 + 1 + ) (23)

Donde:

Kp=Ganancia proporcional.

Ti=tiempo integral.

Td=tiempo derivativo

Haciendo los cálculos de los parámetros del PID de la figura 29 tenemos:

Kp= 1.2∗95.093

= 43.9 (20)

1.9155∗1.357

Ti= 2 ∗ 1.357 = 2.714

(21)

Td= 0.5*1.357= 0.678

(22)

El controlador PID resultante es:

(s) = 29.85 2+43.9 +16.26

(23)

44

3.4.4. Diagrama de bloques del algoritmo

La Figura 32 muestra el diagrama de flujo a realizar para el proceso soldadura de refusión

el código de programación del microcontrolador se adjunta en el ANEXO 5.

Iniciar

Inicializar

Fijar:

Set ponit temp placa

Temp placa <150°C por 120 si Temp BGA seg

no

Temp placa

si

<200 por 120

seg

no si

<=temp de BGA Por 150 seg

si

no

Activar SSR Pistola de calor

precalentamie

nto

Activar SSR Activacion del calefactor

flux durante todo el proceso

Refusion O

reflow

enfriamiento

Fin del proceso Retiro del BGA

Figura 32. Diagrama de flujo el programa a realizar


45

3.4.5. Diagrama esquemático

Diagrama esquemático realizado con el software Proteus, en la Figura 33 se puede

observar la integración del microcontrolador con sus respectivas salidas y entradas a

controlar, un LCD para visualización de datos dos termopilas ad595 y seis botones para

el ingreso de datos a procesar.

Figura 33. Esquemático del PCB de Control


Diseño de PCB de control se ver en la Figura 34:

Figura 34. Tarjeta PCB de control


46

Diseño e implementación del PCB, componentes y conectores necesarios mostrados en

la Figura 35.

Figura 35. Tarjeta PCB de control


47

3.5. Cronograma

Se muestra en la Figura 36 el cronograma de actividades realizadas desde el inicio hasta

la culminación del proyecto realizado, mediante el diagrama de Gantt.

Figura 36. Diagrama de Gantt


48

CAPITULO 4

RESULTADOS

4.1. Pruebas y Resultados

4.1.1. Etapa de sensado y acondicionamiento

En la tabla 11 se muestra las simulaciones por software y su implementación.

Tabla 11. Prueba de funcionamiento

18°C equivalen 180mv 18.07°C equivalen 187.3mv

30°C equivalen 300mv 30.76°C equivalen 307mv


49

La adquisición de datos que se realizó en el punto 3.4.3.1 utilizamos el circuito

implementado de la termocupla tipo k y el acondicionador AD595.

Figura 37. Prueba del sensor y acondicionamiento


Además, utilizamos el calefactor como se puede ver en la Figura 37, como fuente de calor

y colocamos en su interior la termocupla para ir tomando los datos con el pc y el

programa Matlab. La Curva obtenida es el resultado de una medicación de temperatura

ambiente de 20°C hasta unos 320°C por un tiempo de 1500 segundos como podemos ver

en la Figura 38.

Figura 38. Grafica obtenida desde 20°C hasta 320°C


50

4.1.2. Etapa de potencia y generación de calor

Simulación implementada y funcionando vista en la Figura 39.

Figura 39. Prueba de Duty cicle


En la Figura 40 se puede ver la medida de voltaje a la salida del SSR.

Figura 40. Regulación de voltaje con SSR


En la Figura 41 se muestra una prueba con una resistencia eléctrica para ver su

funcionamiento.

Figura 41. Prueba de calentamiento


51

4.1.3. Etapa de control

En esta etapa se implementó el calefactor, la pistola de calor con los actuadores

correspondientes a su vez con los sensores tipo K como se puede ver en la Figura 42, se

coloca la tarjeta PCB entre el calefactor y la pistola de calor, luego colocamos los

parámetros de temperatura para el precalentado de la placa, este se mantendrá durante

todo el proceso a una temperatura de 150°C y para la temperatura de BGA se coloca

220°C punto de fusión. Esperamos los tiempos establecido por el perfil térmico que se

han desarrollado dentro del programa del microcontrolador.

Figura 42. Prueba de funcionamiento


En la Figura 43 se puede observar las temperaturas medidas en el proceso.

Figura 43. Prueba de medición de temperatura


52

Como podemos ver en la Figura 44 tenemos ya casi a punto de cumplirse el proceso

térmico fijado.

Figura 44. Prueba de control de pistola de calor


En la Figura 45 se puede ver el proceso terminado de la extracción del BGA. Listo para el

cambio de un nuevo componente.

Figura 45. Extracción de BGA


Los resultados fueron los esperados ya que se pudo hacer una extracción sin dañar la

PCB.

53

4.2. Presupuesto

En la tabla 12 se lista los recursos tecnológicos usados en el desarrollo del proyecto con

sus respectivos valores en soles.

Tabla 12. Recursos tecnológicos

Dispositivo Cantidad Valor unitario S/. Valor total S/.

Termocupla tipo K 2 15 30

AD595 2 7 14

Calefactor 800W 1 40 40

Pistola de calor 2000W 1 70 70

SSR-25SDA 2 30 60

Pic 16f887 1 20 20

LCD 20x4 1 25 25

Resistencias varias 1 10 10

Diseño de PCB sensor 1 10 10

Diseño de PCB control 1 30 30

Pasta de soldar 1 15 15

Rollo de estaño 1 20 20

Multimetro samwa 1 120 120

Conectores varios 1 15 15

Total 479


En la tabla 13 se lista los recursos de materiales usados.

Tabla 13. Recursos de materiales

PRODUCTO Cantidad Valor unitario S/. Valor total S/. Hojas bond paquete 1 15 15

lapiceros 5 2,5 12,5

marcadores 2 2,5 5

Regla de aluminio 1 5 5

Cuter 1 1 1

Fotocopias 400 0,2 80

Total 118,5


54

En la tabla 14 se lista los recursos humanos usados.

Tabla 14. Recurso humano

Categoria Salario Mensual % de jornada meses costo S/.

Autor de proyecto 1800 50 4 3600

TOTAL 3600


En la tabla 15 se realiza el consolidado de todos los recursos con sus respectivos costos.

Tabla 15. Inversión total

Inversión

Recursos

Costo S/.

Recursos Humanos 3600

Recursos Tecnologicos 479

Recursos de Materiales 118,5

Total 4197,5


La realización del proyecto fue realizada en las instalaciones de la empresa Andean Slots

sac, en este presupuesto no se consideró los costos de los equipos de cómputo y

herramientas (pinzas, destornillador, etc.) ya que fueron brindados por la empresa en

mención.

El monto total del desarrollo del proyecto Diseño e Implementación de una Máquina de

Soldadura por Refusión para Dispositivos Electrónicos con Tecnología BGA asciende a

un total de S/.4197.5.

55

4.2.1. Cotización de proveedor

Se adjunta cotización de proveedor de componentes y equipos utilizados en el desarrollo

del proyecto como se puede ver en la Figura 46.

Figura 46. Cotización de componentes y equipos.

Fuente: Elaboración JC Electro Innovación SAC.

56

CONCLUSIONES

En este proyecto se pudo realizar extracciones de componentes con tecnología BGA sin

dañar la superficie de la PCB. De manera intencional se calibro la temperatura del BGA a

su punto máximo recomendable entre 245 °C y 260 °C. Colocándolo a 290 °C esto trajo

como consecuencia el quemado y avería de la superficie de la PCB en esta área. Para

temperaturas tomadas en la superficie (PPT), los resultados fueron los más óptimos.

Respetándose los parámetros considerados en un proceso de soldadura por refusión, los

resultados serán los más eficientes y adecuados. El proceso de soldadura para estos

dispositivos se pudo realizar sin dificultad porque, se diseñó e implemento un sistema de

control de temperatura que permitió mantener los parámetros de la curva o perfil térmico,

necesarios para el proceso soldadura por refusión.

Se seleccionó el sensor de temperatura termocupal tipo K, mediante la comparación con otros

dispositivos disponibles en el mercado nacional por permitir mediciones de temperatura de

400 ° C, la señal eléctrica obtenida de la termocupla se acondiciono con el circuito integrado

AD595, logrando amplificar la señal eléctrica de la termocupla. En la prueba de

funcionamiento se tomaron temperaturas de 18°C, Temperatura del ambiente en ese

momento, dando un resultado en la salida del AD595 de 187.3mv que corresponde a 18.7°C.

Cumpliendo con lo que especifica el datasheet una proporción de 10mv por 1°C,

57

por lo tanto, se diseñó y selecciono la etapa de sensado y acondicionamiento de

temperatura.

La potencia requerida por el sistema va a depender de la cantidad de calor que queremos

impartir a la carga, para eso se usó las fórmulas de la ecuación (7), QC=Qconv+Qrad dando un valor de 497W esto permitió precalentar la PCB, hasta lo recomendado que es 150°C, el incremento de la temperatura se realizó con el relay de estado sólido SSR fotek. De tal forma que se logró diseñar y seleccionar la etapa de potencia y generación de calor.

Para la etapa de control, se definieron la entradas y salidas, seleccionando el controlador

los periféricos además se realizó la toma de datos de la planta térmica para poder

encontrar de manera experimental la función de transferencia y así determinar el control

PID a implementar par luego diseñar el código en C para el microcontrolador.

58

RECOMENDACIONES

Se recomienda no pasar del límite de temperatura que esta entre 245 °C y 260 °C. Para

evitar daños irreversibles en las PCBS a reparar.

Se recomienda colocar los sensores lo más cerca posible a la PCB y BGA para no tener

lecturas erróneas y evitar dañar el componente BGA y quemado de la superficie PCB.

Se recomienda adherir los sensores con cinta adhesiva térmica para que no se suelten al

momento de la soldadura.

Se recomienda antes de realizar la extracción del componente BGA alinear la pistola de

calor con el componente BGA y la PCB a trabajar.

Se recomienda estar en un ambiente cerrado a temperatura ambiente para la realización

de la soldadura y uso de la máquina.

Se recomienda utilizar pinzas y guantes para la extracción del componente para evitar

quemaduras en la piel.

59

BIBLIOGRAFÍA

Analog Devices. (s. f.). AD595 Datasheet and Product Info | Analog Devices. Recuperado 23 de agosto

de 2019, de https://www.analog.com/en/products/ad595.html

Betancor, C., Cerezo, J., & Vega, A. (s. f.). DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA. 9.

Brengi, D., Tropea, S., Visentin, M. P., & Huy, C. (s. f.). Soldadura, inspección y verificación, en

laboratorio, de un prototipo con chip BGA. 6.

Cengel, U. A. (s. f.). Transferencia de calor y masa. Un enfoque práctico. 930.

Control automático educación. (2019, Abril 5). ▷ Adquisición de Datos e Identificación de un Horno con

PIC - [septiembre, 2019]. Control Automático Educación.

https://controlautomaticoeducacion.com/microcontroladores-pic/adquisicion-de-datos-e-

identificacion-de-un-horno-con-pic/

Herranz, Á. C. (2017). Diseño y construcción de horno para soldadura por refusión.

https://riunet.upv.es/handle/10251/88085

Jecrespom. (2016, Diciembre 18). Sensores y Actuadores. Aprendiendo Arduino.

https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/12/18/sensores-y-actuadores/

Kuo, B. C. (1996). Sistemas de control automático. Pearson Educación.

Leal, A. E. D. (2016). Simulación de la transferencia de calor en tarjetas de circuito impreso FR-4

durante el proceso de reflujo. [Masters, Universidad Autónoma de Nuevo León].

http://eprints.uanl.mx/15789/

Microchip. (s. f.). PIC16F887 pdf, PIC16F887 description, PIC16F887 datasheets, PIC16F887 view:

ALLDATASHEET ::: Recuperado 31 de agosto de 2019, de

https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/515926/MICROCHIP/PIC16F887.html

60

Monografias.com, P. T. (s. f.). Controladores—Monografias.com. Recuperado 24 de agosto de 2019, de

https://www.monografias.com/trabajos105/controladores/controladores.shtml

Moya, S. (2018, diciembre 24). Conceptos Básicos: Sistemas de Control. ISA México Sección Central.

https://www.isamex.org/intechmx/index.php/2018/12/24/conceptos-basicos-sistemas-de-

control/

Ogata, K. (2010). Ingeniería de control moderna. Pearson Educación.

Pantalla LCD 20x4 2004 Retroiluminado Fondo Azul. (s. f.). Recuperado 31 de agosto de 2019, de

https://solectroshop.com/product-spa-478-Pantalla-LCD-20x4-2004-Retroiluminado-Fondo-

Azul.html

PIC16F887 | Nextia Fenix. (s. f.). Recuperado 5 de septiembre de 2019, de

https://www.nextiafenix.com/producto/pic16f887/

Que es un periferico. (2007, Noviembre 7). ¿Qué es un periférico? Foro Tecnico.

http://www.cavsi.com/preguntasrespuestas/que-es-un-periferico/

Sensor de temperatura. (s. f.). Sensor de temperatura. Recuperado 22 de agosto de 2019, de

http://medirtemperatura.com/sensor-temperatura.php

Simbaña, C. D. S. (2019). Diseño del Prototipo de una Máquina de Suelda BGA para Re Manufactura de

Placas Electrónicas. https://repositorio.uisrael.edu.ec/handle/47000/1970

Suescún, J. A. P. (2018). Diseño e implementación piloto de una de estación de soldadura para

elementos DIP, SMD y BGA. http://repository.unad.edu.co/handle/10596/24374

Tecnología BGA | Soldadura SMD con tecnología BGA. (s. f.). Recuperado 8 de febrero de 2020, de

http://bga.blog.tartanga.eus/tecnologia/

Transferencia de calor. (s. f.). Diagrama de infográfico de los métodos de transferencia de calor que

incluye la convección de la conducción y la radiación con el ejemplo de la olla de cocción a

fuego de gas para la educación básica de ciencias de la física. 123RF. Recuperado 29 de

agosto de 2019, de https://es.123rf.com/photo_80715775_diagrama-de-infográfico-de-los-

métodos-de-transferencia-de-calor-que-incluye-la-convección-de-la-conducción-y-.html

61

ANEXOS

62

ANEXO 1: Tablas de Propiedades Del Aire.

63

64

ANEXO 2: SSR-DA25A (Fotek)

65

66

67

68

69

ANEXO 3: PIC16f887.

70

71

72

73

ANEXO 4: Programa Matlab Adquisición De Datos.

74

Código de interfaz grafico

%% Ejemplo Monitoreo de señales en tiempo Real

function varargout=monitoreo(varargin)

parar=false;

fclose('all')

global tiempo salida escalon y

fig(1)=figure('name','Monitor','menubar','none','position',[200 200 800 700],'color',[0.9 0.6

0.3])

movegui(fig(1),'center');

axe(1)=axes('parent',fig(1),'units','pixels','position',[60 80 600 550],'xlim',[0 40],'ylim',[0

200],'xgrid','on','ygrid','on')

set(get(axe(1),'XLabel'),'String','Tiempo (Seg)')

set(get(axe(1),'YLabel'),'String','Temperatura (°C)')

lin(1)=line('parent',axe(1),'xdata',[],'ydata',[],'Color','r','LineWidth',2.5);

lin(2)=line('parent',axe(1),'xdata',[],'ydata',[],'Color','k','LineWidth',2);

bot(1)=uicontrol('parent',fig(1),'style','pushbutton','string','Detener','position',[680 50 100

50],'callback',@stop,'fontsize',11)

bot(2)=uicontrol('parent',fig(1),'style','pushbutton','string','Enviar','position',[680 200 100

50],'callback',@enviar,'fontsize',11)

txbx(1)=uicontrol('parent',fig(1),'style','tex','string','Temp','position',[680 100 100

50],'fontsize',11)

txbx(2)=uicontrol('parent',fig(1),'style','edit','string','000','position',[680 250 100

50],'fontsize',11)

%% Funcion Pare

function varargout=stop(hObject,evendata)

parar=true;

fclose(SerialP);

delete(SerialP);

clear SerialP;

75

end

%% Funcion enviar

function varargout=enviar(hObject,evendata)

deg1=get(txbx(2),'string');

deg=["S"+deg1+"$"];

fwrite(SerialP,deg,'uchar');

end

%% funcion Graficar

% function varargout=grafique(hObject,evendata)

tiempo=[0];

salida=[0];

escalon=[0];

deg1="0";

dt=1;

limx=[0 40];

limy=[0 200];

set(axe(1),'xlim',limx,'ylim',limy);

%% Configura el Puerto Serial

SerialP=serial('COM8');

set(SerialP,'Baudrate',9600); % se configura la velocidad a 9600 Baudios

set(SerialP,'StopBits',1); % se configura bit de parada a uno

set(SerialP,'DataBits',8); % se configura que el dato es de 8 bits, debe estar entre 5 y

8

set(SerialP,'Parity','none'); % se configura sin paridad

fopen(SerialP);

%% Grafico

k=5;nit = 10000;

while(~parar)

76

% Lectura del Dato por Puerto Serial variable=

(fread(SerialP,20,'uchar')); ini=find(variable==73); %Busca el

retorno de carro (Primer dato) ini=ini(1)+1;

fin=find(variable==70); %Busca operador grados (ultimo

dato) fin= fin(find(fin>ini))-1;

fin=fin(1);

tempC=char(variable(ini:fin))';

temp=str2num(tempC);

set(txbx(1),'string',tempC);

%Actualiza las variables del grafico

tiempo=[tiempo tiempo(end)+dt];

salida=[salida temp];

escalon=[escalon str2num(deg1)];

set(lin(1),'xdata',tiempo,'ydata',salida);

set(lin(2),'xdata',tiempo,'ydata',escalon);

pause(dt); %% espera 0.1 seg para cada interación

if tiempo(end)>=limx % actualizo grafica cuando llega a su limite en tiempo real

limx=[0 limx(2)+40];

set(axe(1),'xlim',limx);

end

if salida(end)>=limy % actualizo grafica cuando llega a su limite en tiempo real

limy=[0 limy(2)+30];

set(axe(1),'ylim',limy);

end

k=k+1;

if(k==nit)

parar=true;

end

end

parar=false;

end

77

Código del tratamiento de datos

%Programa de Identificacion load('Ident1.mat') plot(tiempo,escalon,tiempo,salida);

%Renombra variables us=escalon; ys=salida; ts=tiempo;

b=110; % Escalon donde se hizo lA IDENTIFICACION

%Busca el momento exacto donde se insertó el escalón i=1; while(us(i)<b)

i=i+1; end x1=i; while(us(i)==b)

i=i+1; end x2=i-1;

%Recortar datos hasta el origen ur=us(x1:x2); yr=ys(x1:x2);

tr=ts(x1:x2); %transladar los datos

ut=ur-us(1); yt=yr-yr(2);

tt=tr-tr(1);

%Graficar escalon Trasladado figure(2) plot(tt,ut,tt,yt,'linewidth',3),grid title('Datos recortados y transladados') xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Temperatura (C)')

78

ANEXO 5: Programa Del Pic.

79

* File: pwm_adc2.c

#include <xc.h>

#include "adc.h"

#include "pwm.h"

#include "system.h"

#include <stdio.h>

#include "lcd_hd44780_pic16.h"

float adc,adc2,cupla_pcb,cupla_bga;

float control_duty;

float yM2=0,yM=0,R=1500.0,e=0.0,e_1=0.0,e_2=0.0,u=0.0,u_1=0.0;

float kp;

float ti;

float td;

float q0;

float q1;

float q2;

float T=0.1;

float k=53.5,tao=10.0,theta=1.0;

float TsMA,Wn,P1,P2;

char s[20];

int x=0;

void interrupt timer0(){

x++;

if(x==100){

//Comienzo la ley de control

e=R-yM;

// Controle PID

u = u_1 + q0*e + q1*e_1 + q2*e_2; //Ley del controlador PID discreto

if (u >= 1000.0) //Saturo la accion de control 'uT' en un tope maximo y minimo u =

1000.0;

80

if (u <= 0.0)

u = 0.0;

control_duty=u;

//Retorno a los valores reales

e_2=e_1;

e_1=e;

u_1=u;

PWM1_Duty(control_duty);

PWM2_Duty(900);

x=0;

}

TMR0=178;

INTCONbits.TMR0IF=0;

}

void main(void)

{

//TRISA=0xFF;//puertos A como entrada para las termocuplas

//TRISD=0x00;

//TRISB=0xFF;

TRISC=0x00;//puertos como salida para control del lcd

//configurar interrupcion

INTCONbits.TMR0IE=1;

INTCONbits.TMR0IF=0;

INTCONbits.GIE=1;

81

//configuracion del timer 0

OPTION_REGbits.T0CS=0;

OPTION_REGbits.T0SE=0;

OPTION_REGbits.PSA=0;

OPTION_REGbits.PS=0b101;

TMR0=178;

PWM1_Init(5000);

PWM2_Init(5000);

PWM1_Duty(0);

PWM2_Duty(0);

PWM1_Start();

PWM2_Start();

ADC_Init();

LCDInit(LS_NONE); //Initialize the LCD Module

LCDClear(); //Clear the display

//*************************************************************************//

//***************** SINTONIA POR ZIEGLER y NICHOLS *******************//

//*************************************************************************//

kp=(1.2*tao)/(k*theta);

ti=2*theta;

td=0.5*theta;

//*************************************************************************//

// Calculo do controle PID digital

q0=kp*(1+T/(2*ti)+td/T); q1=-

kp*(1-T/(2*ti)+(2*td)/T);

q2=(kp*td)/T;

82

while(1){

adc=ADC_Read(1); //Leer ADC termocupla placa

yM=adc*5000.0/1024.0;

adc=ADC_Read(5); //Leer ADC termocupla bga

yM2=adc*5000.0/1024.0;

//

cupla_pcb=(yM/10);

cupla_bga=(yM2/10);

//Muestra mensajes en LCD

sprintf(s,"Temp placa: %2.2f",cupla_pcb);

LCDWriteStringXY(0,0,s);

sprintf(s,"SetPoint: %2.2f C",R/10);


sprintf(s,"reloj: %02d:%02d:%02d",h,m,se);


sprintf(s, "temp bga: %2.2f",cupla_bga);


__delay_ms(100);

}

}

* File: adc.c

#include "adc.h"

#include <xc.h>

#include "system.h"

void ADC_Init(void)

83

{

ADCON0=0x81;

ADCON1=0x80;

}

unsigned int ADC_Read(unsigned char channel)

{

if(channel > 13)

return 0;

ADCON0 &= 0xC5;

ADCON0 |=channel<<2;

__delay_ms(2);

GO_nDONE=1;

while(GO_nDONE);

return((ADRESH<<8)+ADRESL);

}

* File: pwm.c

#include "pwm.h"

#include <xc.h>

#include "system.h"

long freq;

int PWM_Max_Duty(void)

{

return( _XTAL_FREQ/(freq*TMR2PRESCALE));

}

void PWM1_Init(long fre)

{

84

PR2 = (unsigned int)(_XTAL_FREQ/(fre*4*TMR2PRESCALE)) - 1;

freq = fre;

}

void PWM2_Init(long fre)

{

PR2 = (unsigned int)(_XTAL_FREQ/(fre*4*TMR2PRESCALE)) - 1;

freq = fre;

}

void PWM1_Duty(unsigned int duty)

{

if(duty<1024)

{

duty = ((float)duty/1023)*PWM_Max_Duty();

DC1B1 = duty & 2;

DC1B0 = duty & 1;

CCPR1L = duty >> 2;

}

}

void PWM2_Duty(unsigned int duty)

{

if(duty<1024)

{

duty = ((float)duty/1023)*PWM_Max_Duty();

DC2B1 = duty & 2;

DC2B0 = duty & 1;

CCPR2L = duty >> 2;

}

}

void PWM1_Start(void)

85

{

CCP1M3 = 1;

CCP1M2 = 1;

#if TMR2PRESCALE ==1

T2CKPS0 = 0;

T2CKPS1 = 0;

#elif TMR2PRESCALE == 4

T2CKPS0 = 1;

T2CKPS1 = 0;


T2CKPS0 = 1;

T2CKPS1 = 1;

#endif

TMR2ON = 1;

TRISC2 = 0;

}

void PWM1_Stop(void)

{

CCP1M3 = 0;

CCP1M2 = 0;

}

void PWM2_Start(void)

{

CCP2M3 = 1;

CCP2M2 = 1;

#if TMR2PRESCALE == 1

T2CKPS0 = 0;

T2CKPS1 = 0;


T2CKPS0 = 1;

T2CKPS1 = 0;


86

T2CKPS0 = 1;

T2CKPS1 = 1;

#endif

TMR2ON = 1;

TRISC1 = 0;

}

void PWM2_Stop(void)

{

CCP2M3 = 0;

CCP2M2 = 0;

}

87

Documents

Dispositivos Electrónicos con Tecnología