Diseño y fabricación de luminaria LED

Diseño y fabricación de luminaria LED

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0919HJCLSM01

Villa de Álvarez, Col., julio de 2015

Informe Técnico de Residencia

Profesional

Diseño y fabricación iluminarias LED

Jaime Flores Cisneros

Ingeniería Mecatrónica

Asesor:

Ing. Adriana Marcela Guerrero Vaca


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Índice

Introducción…………………………………………………………………………..4

Justificación……………………………………………………………………………4

Objetivos

o Objetivo especifico……………………………………………………………………………5

o Objetivo general…………………………………………………………………………………5

Problema a resolver

o Proceso de fabricación

PCB……………………………………………………………..5

o Problemas técnicos…………………………………………………………………………..6

o Problemas por temperatura…………………………………………………………….6

o Problemas por intensidad de

iluminación……………………………………..6

Actividades

o Cronograma……………………………………………………………………………………….7

o Diseño PCB…………………………………………………………………………………………8

Diagrama esquemático………………………………………………………. 8

Diseño pistas…………………………………………………………………………8

Diseño antisoldante…………………………………………………………….. 9

Diseño mascarilla componente………………………………………….

9

o Proceso de fabricación PCB por serigrafía

Revelado marco…………………………………………………………………….10

Selección tipo de

baquelita………………………………………………….11

Aplicación tinta……………………………………………………………………..11

Acido férrico………………………………………………………………………….12

Horneado ultravioleta………………………………………………………….13

o Proceso ensamblaje de componentes

Aplicación en soldadura de

pasta………………………………………14

Aplicación componentes……………………………………………………..14

Horneado para soldar…………………………………………………………..14

o Limpieza

Aplicación topklean……………………………………………………………..15

Aplicación novec 1700………………………………………………………..15

o Aplicación de PCB en lámpara

Modo de ensamblaje PCB……………………………………………………16

Óptica…………………………………………………………………………………….16


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Pruebas de iluminación y

temperatura……………………………..17

Resultados………………………………………………………………..……………17

Conclusión y propuestas para mejorar………………………………..18

Competencias desarrolladas y/o aplicadas.…………….…………..18

Referencias bibliográficas..………………………………………..………….18


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Introducción

La empresa TLS (The Led Shop S. de R.L. M.I) ubicada en

la calle Ignacio Sandoval # 360 col. Centro, C.P 28000

Colima, Col. México, Es una empresa giro industrial que

se fundó en el año 2007 por el Ing. Jaime Gabriel Flores

Velázquez con la finalidad de desarrollar luminarias con

tecnología LEDS. Tomando en cuenta como objetivo

principal ayudar a contribuir con el calentamiento

global reduciendo las grandes cantidades de energía que

se consumen a diario. Como proyecto se pretende fabricar

una luminaria con tecnología de mayor calidad tomando

como referencia luminarias anteriores con el objetivo de

observar las problemáticas y dar una solución para el

desarrollo y fabricación de una luminaria más eficiente.

Justificación

Este proyecto me fue asignado por el Ing. Jaime Gabriel

Flores Velázquez para resolver el problema de

iluminación en las calles y jardines de Villa de Álvarez

y es importante para la empresa desarrollar un proyecto

de esta magnitud ya que se genera un crecimiento y se

contribuye a generar más trabajo en Colima. Para mí este

proyecto ha sido de gran importancia ya que ayudó a

beneficiar a la empresa con nuevas ideas de diseño y

fabricación y sobre todo porque adquiero más

conocimientos que en un futuro me ayudaran a

desempeñarme como Ing. Mecatrónico desarrollando nuevas

habilidades en diseño.


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Objetivo

Objetivo específico.

o Diseñar y fabricar una luminaria LED para hacer una

lámpara más eficiente en cuanto a intensidad

lumínica y mejorar la disipación térmica que se

produce por los LEDS.

Objetivo general.

o Diseñar una PCB que cuente con una mejor

distribución de LEDS y una placa de mejor calidad

para hacer una buena distribución de luz y una

buena transferencia de calor hacia el disipador.

Problema a resolver

Para resolver el problema de luminarias pasadas, se

encontraron varios puntos importantes que serán

retomados para mejor la calidad del producto este

caso la luminaria.

o Proceso de fabricación de PCB.

Para el proceso de fabricación de PCB’S se

observaron el mal uso de materiales ya que

utilizaban una placa de cobre que no era

adecuada para el LED que se pretende

utilizar. También se realizaron diferentes

tipos de mascarillas en la impresión de la

placa para la protección del circuito y la

nomenclatura, se observó que durante un

tiempo con la luminaria encendida había

daños en la PCB por oxidación para resolver

este problema utilizamos un químico para la

protección y la eliminación de residuos.


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o Problemas técnicos.

Se observó un mal acomodo en el circuito

electrónico esto provocando que los LEDS no

prendieran adecuadamente a su ficha

técnica, se restablecieron las conexiones

serie y paralelo para una mejor

distribución de corriente eléctrica y así

beneficiando a la empresa para la

utilización de menos LEDS y haciendo un

ahorro económico.

o Problemas por temperatura.

El mayor problema por el daño de LEDS es

por la temperatura así que se implementó en

el diseño y la fabricación una placa con

mayor disipación y se utilizó una crema

disipadora de mayor calidad para hacer una

buena distribución de calor hacia el

gabinete donde seria colocado el circuito

electrónico.

o Problemas por intensidad de iluminación.

En este punto como ya se había comentado en

los dos puntos anteriores el problema de

iluminación era por problemas técnicos y la

mala distribución de LEDS ya que utilizaban

LEDS de más y la corriente no era

suficiente para hacer que el LED no

prendiera a su máxima capacidad se rediseño

el circuito eliminando componentes para

hacer que la corriente fluyera con mayor

potencia y así obtener una mayor intensidad

de luz.


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Actividades

Cronograma de actividades


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Ilustración 1 cronograma de actividades

Diseño de PCB

Diagrama esquemático


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o Un diagrama esquemático es la representación

simbólica de un circuito para obtener una mayor

visualización de la conexión de LEDS y así

presentar una propuesta, tomando en cuenta

variables como voltaje y corriente de la fuente.

Ilustración 2 diagrama esquematico

Diseño de pistas

o Una vez teniendo un diagrama esquemático podemos

desarrollar el diseño de pistas, se basa en la

conexión de los componentes tomando en cuenta las

dimensiones del área de trabajo y la ubicación de

los componentes (LEDS). Es muy importante tomar en

cuenta el grosor de las pistas y la separación

entre ellas esto servirá para tener un mayor flujo

de corriente y evitar cortos circuitos.

Ilustración 3 diseño pistas de PCB

Diseño mascarilla antisoldante.


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o La mascarilla antisoldante es una capa de tinta

que cubre las pistas esto con el fin de proteger y

solo dejando los huecos donde estará el pad del led

para poder soldarlo.

Ilustración 4 diseño mascarilla antisoldante

Diseño de mascarilla de componentes

o El diseño de mascarilla de componentes es solo para

representar la ubicación de los LEDS y darle una

mayor presentación a la tarjeta PCB.

Ilustración 5 diseño mascarilla de componentes

Proceso de fabricación de PCB por serigrafía


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Revelado de marco

o El revelado consiste en transferir el diseño del

PCB a una malla puesta en un marco de aluminio esto

se hace con una tinta especial para revelado, en un

cuarto completamente oscuro con luz roja (la luz

roja sirve para ver y que la tinta no sea revelada

antes de tiempo y no se eche a perder el proceso y

la tinta) se aplica la tinta sobre la malla con una

palita de paleta, después se pone sobre el marco el

fotolito con los diseños de las diferentes

mascarillas (pistas, antisoldante y componentes),

el marco se pone en una mesa que tiene una

plataforma completamente transparente aplicando

una intensidad de luz igual a 500 watts, se deja

determinado tiempo para el revelado una vez que el

tiempo finalizo lavamos el marco quitando el exceso

de tinta dejando solo las mascarillas.

Ilustración 6 marco de aluminio con los diferentes diseños


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Selección de tipo de baquelita

o La selección de la baquelita es un paso importante

ya que de esto depende la disipación del LED esto

se hace en base a la cantidad de LEDS y el consumo,

esto con el fin de evitar que la baquelita sea

dañada por temperatura que se produce por los LEDS

para este diseño yo elegí una baquelita de 1.5 mm

de aluminio con una capa de cobre muy delgada a

esta placa se le conoce como metal core (núcleo de

metal).

Ilustración 7 aplicación de led en baquelita

Aplicación de tinta

o Colocamos el marco ya revelado sobre una mesa de

impresión y con un rasero pasamos la tinta sobre la

malla dejando pasar solo la impresión de las pistas

este proceso se repetirá con las demás mascarillas

una vez pasando cada una por su proceso.

Ilustración 8mesa para imprecion de PCB


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Acido férrico

o En este proceso dejamos la PCB en una cámara de

bañado de ácido férrico para quitar todo el exceso

de cobre de la baquelita, es decir quitar lo que no

está impreso con la tinta.

Ilustración 9 Cámara de bañado de acido ferrico para eliminacion de cobre

Horno ultravioleta

o Una vez realizado el proceso de bañado de ácido

férrico limpiamos con agua el circuito electrónico

y volvemos al paso de impresión con serigrafía pero

esta vez colocando la mascarilla antisoldante.

Después pasara por un horno ultravioleta para hacer

un curado en la tinta y que la tinta no pueda ser

removida con thinner o cualquier otra sustancia

química y no pueda ser desprendida por la

temperatura del horno a la hora de soldar los LEDS

y hacemos lo mismo con la mascarilla de

componentes.

Ilustración 10 horno ultravioleta para un curado de tinta antisoldante


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Proceso para ensamble de componentes

Aplicación de soldadura en pasta

o Se perfora una hoja de aluminio que esta puesta en

un marco de madera en una máquina perforadora CNC

(control numérico por computadora) dejando solo los

pads de los componentes donde serán colocados los

LEDS, este marco se coloca en una mesa de impresión

y con una rasero deslizamos la pasta de soldadura

por los hueco perforados haciendo que la pasta se

traslade a la baquelita así dejando los huecos

cubiertos de pasta y pasando al siguiente proceso.

Ilustración 11 maquina perforadora Ilustración 12 mesa para aplicación de soldadura en pasta


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Aplicación de componentes

o Para este proceso utilizamos una máquina para

posicionar componentes electrónicos en este caso

los LEDS, esta máquina es CNC lo que hace es

moverse hasta los carriletes donde están los

componentes y succionar el LED, una vez que lo

tiene se moverá hasta donde está la PCB y soltara

el LED, este proceso lo repite varias veces hasta

terminar la colocación de todos los LEDS.

Ilustración 13 maquina para aplicación de componentes

Horneado para soldar

o Una vez colocado todos los LEDS en la PCB colocamos

la placa en un horno, este horno cuenta con 5

resistencias de temperatura las cuales pueden ser

variadas por medio de un software, es muy

importante checar la temperatura que soporta el LED

y en que temperatura se disuelve la pasta de

soldadura ya que si no se toma en cuenta estos

datos puedes dañar el LED por demasiada

temperatura o en caso contrario las pasta no

alcanzara a disolverse, provocando que el

componente no sea soldado correctamente y como la

PCB está colocada sobre una banda transportadora

también se tiene que considerar el tiempo que se


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traslada de un punto inicial a un punto final ya

que si no sucederán los mismos casos ya comentados.

Ilustración 14 horno para soldar componentes a la PCB

Proceso de limpieza

Aplicación de topklean para limpiar PCB

o El topklean es un limpiador para circuitos

electrónicos que remueve o elimina todos los

residuos como grasas, pasta de soldadura o

elementos químicos que con el tiempo pueda dañar

el circuito electrónico.

Novec 1700 para protección de PCB

o Novec 1700 es un barniz que sirve para darle una

mayor protección al circuito ya que estará

sometido a la intemperie.


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Ilustración 15 solventes para limpieza y barnizado

Aplicación de PCB en una lámpara para alumbrado

publico

Modo de ensamblar la PCB

o Sobre una superficie plana de la lámpara aplicamos

una capa muy delgada de crema disipadora, esta

crema lo que hace es transferir la temperatura

producida por el LED hacia un disipador esto con la

finalidad de proteger el LED y darle una mejor vida

al LED.

Ilustración 16 lámpara punta de poste

Óptica de cristal


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o Una óptica nos sirve para darle una mayor

distribución a la luz ya sea que el cliente quiera

una distribución con un ángulo de apertura de 180

grados hasta 30 grados.

Ilustración 17 óptica secundaria para distribución de luz

Pruebas

Pruebas de iluminación (lumenx) y temperatura

o Una vez terminada la PCB se realizaron pruebas de

iluminación y pruebas de temperatura a su máxima

capacidad esto con el fin de hacer mediciones

concretas y retomar puntos importantes ya sea para

mejorar el diseño.

Resultados

Como resultado final se obtuvo una luminaria con los

parámetros adecuados de intensidad de iluminación y una

buena disipación de calor permitiendo que la luminaria

conservara los mismos lúmenes después de realizar las

pruebas por varios días.


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Ilustración 18 placa PCB

Conclusión y propuestas para mejorar

Se logró concluir con el proyecto obteniendo resultados

exitosos, logrando obtener como resultado una luminaria

más eficiente con una mayor capacidad para soportar

problemas a las que se pueda enfrentar satisfaciendo al

encargado del proyecto y a su vez para el desarrollo a

gran escala de esta luminaria.

Propuestas.

o Mejorar aún más la calidad en cuanto al desarrollo

de la PCB con tecnología más avanzada.

o La implantación de metalizado en las PCB.

Competencias desarrolladas y/o aplicadas

Habilidad de manejo de software

Conocimientos de instrumentos de medición

Solución de problemas

Capacidad de generar nuevas ideas

Capacidad de aplicar conocimientos en la práctica

Capacidad de aprender


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Referencias bibliográficas

Instructivos para aparatos electrónicos:

http://www.fluke.com/Fluke/mxes/Support/Manuals/default.

htm?ProductId=79229

Instructivos para aplicación de topklean y novec 1700

(electronicassemblymateryals)

Fichas técnicas:

http://www.osram-os.com/osram_os/en/products/product-

catalog/leds-for-general-lighting/oslon-square/index.jsp

Diseño y fabricación de luminaria LED

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