Controlador para una bomba turbo Varian V-60 

Resumen. Se trata de construir un generador de corriente trifásica de frecuencia variable entre 50 y 1200 hertzios capaz de suministrar hasta 40 voltios y 2 amperios para alimentar una bomba de vacío turbomulecular. El circuito es adaptable fácilmente a otros valores de corriente frecuencia o tensión.

Antecedentes: El sueño de cualquier aficionado al vacío es disponer de una bomba turbomolecular, con ella se pueden conseguir fácilmente vacíos del orden de 10-8 torr en pocos minutos. Frente a las bombas de difusión tiene la ventaja ser muy limpias con poca o nula contracorriente por lo que no contaminan de aceite las cámaras e instrumentos de vacío y se ponen en operación y se desconectan en un par de minutos. Su mayor inconveniente es su precio, una bomba pequeña de 60 litros por segundo puede costar nueva por encima de los 3000 euros. De segunda mano el conjunto bomba controlador no se puede sacar de segunda mano por menos de 1000 euros y si se garantiza el funcionamiento el precio no baja de los 1500 euros. A esto hay que añadir que el principal mercado de segunda mano de estos aparatos esta en USA con lo cual el coste se encarece en un 25% entre transportes y aduanas.

Sin embargo las bombas solas sin controlador pueden conseguir por precios relativamente baratos, entre 400 y 600 euros se pueden conseguir cosas en bastante buen estado, si se tiene paciencia y se corren riesgos como es este caso se puede conseguir una bomba por poco mas de 100 euros. Eso si, estoy hablando de las bombas turbo mas pequeñas del mercado, pequeñas pero mas que suficientes para un aficionado, porque las hay con precios y capacidades diez veces mayores.

 

 Revisión y limpieza de la bomba. Aquí también encontraras un poco del funcionamiento de las bombas turbo. Ver.

  

 

Punto de partida.

No fue posible encontrar características detalladas de la bomba V-60 por mas que buscamos en Internet, pero por razones de similitud con otras bombas de dimensiones similares llegamos a la conclusión de que esta bomba se alimentaría con una corriente alterna trifásica de unos 1200 Hz y unos 35 voltios. Midiendo en el conector vimos que de las seis tomas del conector de alimentación tres correspondían a los devanados del estator uno a mas y dos estaban en circuito abierto. La resistencia en continua de los devanadora era de 3,6 ohmios entre cualquiera de los terminales así que llegamos a la conclusión de que se trataba de una configuración en triángulo.

 

 Diagrama de bloques del controlador.

 

En el diagrama anterior, un oscilador basado en un 555 genera pulsos de frecuencia variable entre 300 y 7200 Hz, la frecuencia de este oscilador es seis veces la frecuencia de salida.

El contador divisor por seis, divide esta frecuencia y proporciona las señales desfasadas 120 grados que actúan sobre los flipflops. La salida de los FF actúa sobre las etapas de potencia.

La frecuencia del oscilador puede determinarse manualmente por un potenciómetro de ajuste o variarse automáticamente por el circuito de aceleración y frenado.

El circuito de aceleración varia automáticamente la frecuencia entre la mínima y la máxima en función de dos variables, el tiempo y el consumo de corriente. Si no hay sobrecorriente en 100 segundos la frecuencia varia del mínimo al máximo. En caso de que se sobrepase la corriente este tiempo se ralentiza. Ese mismo circuito, controla la bajada de la frecuencia máxima a la mínima cuando se active el frenado. Este tiempo es aproximadamente de un minuto aunque se puede ajustar. Por ultimo hay un circuito de eliminación de FEM ( fuerza electromotriz) que impide que en caso de desaceleración brusca se produzca una sobretensión que destruya los componentes del circuito.

 

 

 

 

Esquemas reales.

 

 

El anterior esquema corresponde al circuito generador trifasico. Esta construido en base a circuitos CMOS y se alimenta a 12 V. De izquierda a derecha, el oscilador con un 555, el potenciómetro P1 ajusta la frecuencia mínima, la entrada AF se conecta al circuito controlador de frecuencia. Después el divisor por 6 basado en un CD4017. Mas a la derecha dos circuitos CD4013 que en conjunto proporcionan cuatro FILP-FLOP de los que solo se emplean 3. De las salidas Q de estos circuitos y mediante una resistencia de 15 K se toman las salidas R, S, T para la etapa de potencia.

 

 

La etapa de potencia se compone de tres amplificadores idénticos basados en un BD139 como excitador y una pareja de darlington complementarios en la salida, los BD33, y BD34. Realmente el circuito puede proporcionar mucha mas potencia de la requerida, ya que podria trabajar hasta 80 voltios y proporcionar hasta 10 amperios. A la salida del circuito hasy dos diodos 1N4002 y una resistencia de 2 ohmios 5W que actúan como protección.

La tensión de alimentación esta controlada por un SUPER ZENNER compuesto por el transistor Tf y los dos zener en la base. Este circuito de regulación en paralelo no pretende regular la tensión de alimentación sino absorber la energía cedida por la bomba durante el frenado. Esta cesión de energía se traduce en que actúa como un generador que al no tener consumo hace subir la tensión de alimentación lo cual puede provocar la destrucción de otros componentes. El circuito superzener, empieza a conducir cuando la tensión supere los 45 voltios, derivando toda esta corriente. Con este circuito además de la protección señalada se consigue un frenado mas rápido.

Como se puede ver en el esquema las etapas de potencia están conectadas a masa a través de una resistencia bobinada de 1 Ohmio 3 watios, que sirve para sensar la corriente consumida. Esta toma actuara sobre el circuito de control de velocidad en el esquema siguiente.

 

Un transistor T1, PNP BC307 actúa como fuente de corriente que se inyecta al circuito del 555 para variar su frecuencia. Este generador de corriente esta controlado por el voltaje de la base de T2. Este voltaje esta controlado por una red RC que determina el tiempo de aceleración y de frenado. Cuando el conmutador SW1 esta cerrado, ni T2 ni T1 conducen y por lo tanto no se inyecta corriente al oscilador y la frecuencia es la de relenti. Al abrirse el condensador comienza a cargarse T2 y T1 conducen y la frecuencia se acelera, la aceleración es progresiva hasta que se alcanza el voltaje del zenner de 7,5 V que supone la máxima velocidad. Si no interviniese T4 esta aceleración se conseguiría en aproximadamente 30 segundos. Pero la corriente consumida por la etapa de potencia se sensa a través del terminal Ic que en caso de superar un valor determinado por el potenciómetro ajustable de 1 K derivaría la corriente que carga el condensador de 50 micros, lo que se traduciría en una parada de aceleración o incluso un descenso de velocidad en caso de que fuese necesario. Como la energía cinética de la bomba es proporcional al cuadrado de la velocidad la aceleración debe ser menor a altas velocidades que a bajas, lo cual se traduce en que el incremento de consumo debe ser menor a alta velocidad que a baja. Esto se consigue reduciendo la corriente máxima en función de la velocidad y ya que la velocidad es proporcional al voltaje en el emisor de T2, se toma con un seguidor de emisor y se suma a la proporcionada por el sensor de corriente.

En la obsevacion practica del funcionamiento de la V-60 se ha comprobado que el consumo de la bomba a bajas revoluciones es muy alto, debido a la poca inductancia de sus devanados, por ello se ha elegido una frecuencia de ralenti de 150 HZ, lo que corresponde a 9.000 rpm, Al conectar la bomba se produce un consumo del orden de 2,5 amperios durante 1 segundo mientras alcanza esta velocidad para luego estabilizarse aproximadamente en 1 amperio. En este punto la máxima aceleración se consigue incrementando la frecuencia hasta que la la corriente suba a 1,4 amperios, sin embargo cuando la bomba alcanza 15.000 rpm (a 500 ciclos por segundo) el consumo en reposo es de solo 0,7 amperios y la máxima aceleración se consigue incrementando la frecuencia hasta que su consumo sea de 1,2 amperios. A 800 H, el consumo de reposo es de 0,6 amperios y la máxima aceleración se consigue a 0,9 amperios y por encima de 60.000 rpm es 0,6 y 0,8 respectivamente. Esto es lo que consigue precisamente este circuito pero de una manera mas o menos continua.

Circuito de frenado. Si se interrumpiese el suministro de corriente a la bomba, al ser un motor de jaula de ardilla no recibiría el influjo de ningún campo magnético y como tiene muy poco rozamiento porque esta en el vacío, toda la energía cinética almacenada se emplearía únicamente en vencer este rozamiento lo cual le llevaría a pararse en 20 minutos o mas, algo inaceptable. Por ello la mejor forma de frenarla es bajar la frecuencia de alimentación paulatinamente y absorber la energía electromotriz que genere el motor. Esto se consigue al cerrar el SW1. El condensador en la base de T2 comenzará a descargarse y la frecuencia del 555 bajara desde el régimen máximo al de ralentí en unos 15 segundos.

Otra actuación de este circuito es en el caso de sobrecarga. Realmente el trabajo que realizan estas bombas para mantener el vacío es muy pequeño ya que la masa de gases que mueven es insignificante. Pero si al estar al máximo régimen de revoluciones se abriese repentinamente una via de aire, aparecería una sobrecarga que frenaría la bomba. El frenado puede llegar a ser tan grande que la bomba se desengancharía, el consumo de corriente se dispararía y a pesar de que se cerrase la via de aire la bomba dejaría de funcionar con riesgo de quemarse. Con este circuito, en el caso de una sobrecarga, se reduciría el régimen de revoluciones hasta que la corriente entrase en una situación de aceleración.

 

 

 

 Vista del circuito durante las pruebas. Los seis transistores mas el de frenado se han montado sobre un radiador de Pentium que lleva incorporado un pequeño ventilador.

Todo el circuito se ha montado en una plancha de circuito de tiras perforadas de aproximadamente 150x 150 mm

 

 

 

 Profesor Frank de Copenhague.