Universidad Nacional de San Juan

Facultad de Ingeniería

Ing. Electrónica

Aplicaciones industriales del Ultrasonido

LIMPIADORA POR ULTRASONIDO.

Alumno:

Moldes, Juan 22157

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Objetivo

En el presente trabajo de busca la construcción de una lavadora por ultrasonido,

que consiste en la construcción del transductor ultrasónico como así también la

circuitería necesaria para controlarlo.

Introducción

La limpieza por ultrasonido es una de las herramientas preferida en la industria a

la hora de limpiar diferentes piezas. El rango de aplicación es bastante amplio y va

desde la limpieza de inyectores de automóviles hasta la limpieza de herramientas

medicas, pasando por joyas, elementos de cocina y placas electrónicas. Además

la limpieza por ultrasonido nos permite un ahorro de los líquidos utilizados para

limpiar, también nos proporcionar un limpieza a niveles microscópicos y un ahorro

de tiempo considerable.

Funcionamiento

La limpieza por ultrasonido utiliza el fenómeno llamado cavitación, que consiste en

la creación de millones de microscópicos huecos o vacio parcial de burbujas, estas

burbujas se colapsan con gran energía a temperaturas de 10000 K y presiones de

50000 libras por pulgada cuadrada pero son tan pequeñas que no hacen más que

limpiar la superficie, eliminar la suciedad y contaminantes, de esta manera se

puede usar la cavitación para limpiar todo tipo de piezas, lo que lleva a un gran

campo de aplicación de este método en la industria. Para la creación del

ultrasonido utilizamos transductores ultrasónicos que describimos a continuación.

Transductores

Durante el desarrollo de este trabajo se usaron diferentes transductores,

magnetoestructivos y otros que utiliza un sistema similar a los parlantes audio.

Los transductores magnetoestructivos se basan en una propiedad que tiene los

materiales ferromagneticos (lo que se utilizo fue ferrita) llamada

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magnetoestruccion, cuando una barra de estos materiales se somete a un campo

magnético, experimenta un cambio en su longitud. Para la construcción del

transductor vamos a utilizar el núcleo de un transformador flyback de un televisor

que se puede ver en la Figura 1.

Figura 1: Núcleo de transformador flyback

Una vez que sacamos el núcleo del flyback pasamos a bobinarlo con alambre de

cobre de 1 mm de diámetro que es quien va a genera el campo magnético que

permitirá la variación de longitud del núcleo, en la Figura 2 podemos observar

varios transductores lo que los diferencias es el numero de vueltas que hace el

cobre alrededor de ellos.

Figura 2: Transductores

Para el otro transductor utilizamos la bocha de un parlante, un cilindro hueco de

aluminio y alambre de cobre.

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Con el alambre de cobre de 1 mm de diámetro construimos una bobina sobre el

cilindro hueco de aluminio que nos proporcionara el movimiento. Tenemos que

desarmar la bocha del parlante y realizar unas modificaciones con la ayuda de un

torno. Estas modificaciones permitirán que el cilindro hueco bobinado pueda entrar

en el interior de la bocha y con ello en el circuito magnético. En las Figura 3, 4 ,5 y 6

se puede observar los diferentes elementos del transductor y como queda al unir

esos elementos.

Figura 3. Partes del parlante a utilizar

Figura 4. Continuación Figura 3

Figura 5. Continuación Figura 3

Figura 6. Continuación Figura 3

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Desarrollo Después de investigar en internet encontré muy poca información sobre la

construcción de una limpiadora por ultrasonido, entre las cosas que encontré

había un trabajo en el cual se empleaba el circuito de la Figura 7 .

Figura 7: Circuito de la Limpiadora

Donde el transductor utilizado era construido por el núcleo de un de flyback que es

de ferrita, las indicaciones de la construcción del transductor eran incoherentes ya

que pedían que lo bobinara con 85 vueltas en 2 capas con un alambre de cobre

esmaltado de 1mm, mientras que las dimensiones del núcleo solo me permitían en

2 capas entre 11 y 15 vueltas cada una. De todas maneras construí diferentes

transductores, variando entre ellos en número de espiras (sin respetar en número

de capas), como se puede observar en figuras anteriores.

Luego procedí a la construcción del circuito, al buscar los componentes no pude

conseguir el SCR en el mercado, tenían uno parecido pero el precio era elevado,

entonces, lo remplace por otro de menor potencia, de todas formas al construir el

circuito y probarlo con los diferentes transductores no obtuve ningún resultado.

Debido a que el primer circuito no funciono, empecé el diseño de otro, él que se

basaba en la utilización de un MOSFET de potencia (IRF740 las principales

características son que soporta una tensión de 400V y una corriente de 10A) que

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sería utilizado para la excitación del transductor. Además del MOSFET el circuito

constaba con un integrado para generar las señales que harían conmutar al

MOSFET. Por desgracia este circuito tampoco funciono. Al investigar sobre los

MOSFET aprendí que al hacerlos trabajar a frecuencias relativamente altas

(mayores a 20KHz) en el MOSFET aparece una capacitancia parasita de

considerable capacidad entre su compuerta y fuente (G y S), entonces, para

aumentar la frecuencia de trabajo del MOSFET necesitaba un circuito que le

proporcionara mucha corriente al encenderlo y le sacara mucha corriente al

apagarlo (esta corriente solo se necesitaba en la conmutacion), el circuito utilizado

se llama push-pull y al circuito completo se lo puede ver en la Figura 8.

Figura 8: Push-Pull

Con este circuito si podía trabajar a frecuencias elevadas.

El circuito que generaba la señal estaba constituido por un CD4047 que es un

Multivibrador CMOS Aestable/Monoestable, con la configuración para trabajar

como Aestable. Ahora al unir ambos circuitos (control y potencia) con el

transductor se podía escuchar un zumbido, pero de todas maneras no obtenía la

vibración necesaria para generar ondas ultrasónicas por lo tanto el sistema seguía

sin funcionar.

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Al llegar a este puto, sabiendo que tenía un circuito que manejaba grandes

potencias y no obtener ningún resultado pensé que el transductor era el problema

debido a la mala calidad de los núcleos y a la forma constructiva, entonces, tenía

que buscar una nueva solución, se me ocurrió hacer un nuevo transductor que sea

similar a un parlante (como construirlo esta detallado anteriormente). También

cambie el circuito de control por un 555 ya que nos permitía modificar el tiempo de

encendido del MOSFET independiente mente de la frecuencia.

Una vez construido el nuevo transductor se lograron vibraciones en la cuba, pero

todavía no se obtiene el resultado buscado. A pesar de ello se realizo la

construcción del los 2 circuitos para luego modificar el transductor y seguir

realizando pruebas hasta alcanzar el objetivo.

Circuitos utilizados Nuestro sistema consta de 2 circuitos uno es el encargado de generar la señal, y

una etapa de potencia que nos proporcionara la corriente necesaria para los

transductores.

Para el circuito oscilador utilizamos el conocido 555 en configuración astable como

se puede observar en la Figura 9.

Figura 9: Configuración astable del 555

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Una vez que armado el circuito en un experimentor para comprobar el

funcionamiento testeando las señales generadas finalmente pasamos a la

construcción del circuito real.

Para el diseño de los circuitos impresos utilizamos un software llamado Eagle, el

diseño nos queda como lo muestra las Figura 10 y 11.

Figura 10. Esquemático

Figura 11. PCB

Utilizando el método de la plancha realizo la construcción del circuito impreso y

queda como se observa en la Figura 12 y 13 lego paso al armado del circuito como

se puede ver en la Figura 14.

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Figura 12. Confección circuito impreso

Figura 13. Circuito impreso finalizado

Figura 14: Circuito de control terminado

Con el circuito de control es alimentado con una fuente de 5V y podemos generar

señales cuadradas que van desde los 19KHz hasta 40KHz. En las Figura 15 y 16

podemos observar algunos ejemplos.

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Figura 15. Onda cuadrada de 19 kHz

Figura 16. Onda cuadrada de 40 kHz

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El circuito de potencia consta de un FET excitado con un push-pull para que

pueda trabajar a la frecuencia que necesitamos para generar ultrasonido, además

tiene un preamplificador en la entrada para elevar la tensión que nos entrega el

555, tanto el preamplificador como el push-pull son alimentados con un

estabilizador de tención (7812) que nos proporciona una tención constante de 12V

y un juego de cuatro llaves que nos permitirá poner en paralelo con el transductor

una serie de capacitores ( ver Tabla 1). El circuito utilizado esta en la Figura 17 y el

diseño nos queda como se ve en la Figura 18 .

Figura 17. Esquemático circuito de potencia

Figura 18. PCB circuito de potencia

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Laves S1 S2 S3 S4

Capacidad que añaden 1nF 22nF 100nF 1uF

Tabla 1

Con el mismo método que en el circuito de control se realiza la construcción del

circuito de potencia y nos queda como observamos en las Figura 19, 20 y 21.

Figura 19. Confección circuito impreso,

potencia Figura 20. Circuito impreso de potencia

finalizado

Figura 21. Circuito de potencia armado

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Ensayos En esta sección podremos observar los resultados de una prueba.

Una vez que el sistema está montado hacemos que el circuito de control genere

una señal como la que se puede observar en la Grafica 1, vale la pena aclarar que

la escala esta en 2V/Div y que la base de tiempo está en 10uS/Div.

Grafica 1

Ahora podemos alimentamos el circuito de potencia con la señal de la Grafica 1,

antes de encender todo el sistema vamos a abrir las llaves que añaden

capacitores en paralelo con el transductor es decir tenemos solo un capacitor de

470pF en paralelo con el transductor ahora si estamos en condiciones de

encender el sistema. Utilizamos el osciloscopio para medir sobre nuestro

transductor y obtenemos la Grafica 2 e este caso la base de tiempo es de 5uS/Div

y la escala de tensión esta en 5V/Div pero la punta del osciloscopio es en x10 es

decir tenemos que multiplicar por 10 los resultados obtenidos. De aquí en adelante

solo variaremos la capacidad en paralelo con el transductor con la ayuda de las

llaves.

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Grafica 2

Ahora vamos a cerrar S2 y abrimos las demás, agregando una capacidad en paralelo de 1nf obtenemos la Grafica 3 .

Grafica 3

Ahora cerramos S3 y abrimos las demás el resultado se ve en la Grafica 4.

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Grafica 4

Y finalmente cerramos S4 y todas las demás abiertas el resultado está en la Grafica 5.

Grafica 5

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Conclusión No se puede escribir una conclusión definitiva ya que el trabajo no está terminado

porque no se pudo cumplir con el objetivo. A pesar de eso no todo fue pérdida de

tiempo ya que durante el transcurso del trabajo adquirí conocimiento sobre los

circuitos de potencia en conmutación que seguramente me serán útiles en otros

proyectos, además que los transductores ultrasónicos de efecto

magnetoestrictivos brindan menor rendimiento que los de efecto piezoeléctrico.

Pero debido a la dificultad para conseguir los transductores piezoeléctricos los

magnetoestrictivos son una alternativa a pesar de su menor rendimiento y

prestaciones.