Lámpara por INDUCCIÓN, sin cables

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ÍNDICE

1. En qué consiste esta lámpara
2. Proyecto sin peligro. Apto para todos
3. Esquema
4. Materiales
      4.1. Para la base
      4.2. Para la lámpara

5. Prueba en protoboard (con otras bobinas)
6. Montaje
      6.1. Montaje de la base
      6.2. Montaje de la lámpara
7. ¿Porqué el PWM no rompe los LEDs cuando se regula a máximo?
8. El Vídeo
9. Otros proyectos que te pueden interesar
10. Toda mi colección de vídeos de Youtube

1. En qué consiste esta lámpara

Éste es un proyecto fácil que considero interesante porque se van a tratar bastantes temas tanto teóricos como prácticos, y al "invento" resultante le podemos dar utilidad. Vamos a hacer una lámpara decorativa a modo de luz ambiental. Lo especial es que la lámpara no está conectada con cables a nada. Está completamente libre. 

Funcionará "a distancia", por inducción. Este sistema consta de dos partes:

1) La base, que descansará en una mesita o superficie. Es un tupper o caja que alimentaremos con un alimentador externo normal de 12v. En el interior de este tupper hay una bobina que accionaremos con un sencillo circuito oscilador (un modulador PWM). Nosotros mismos haremos tanto la bobina como el oscilador. Esta bobina generará un campo electromagnético de corto alcance que llegará a la bobina de la lámpara que situaremos encima de este tupper, de este modo la luz funcionará sin necesidad de cables. Es el mismo principio que hace funcionar a las cocinas de inducción aunque en este caso, manejando una potencia muchísimo menor, y en vez de calentar un recipiente encenderemos uno o dos diodos LEDs.

Fig 1. Dos bobinas enfrentadas y separadas, una induce a la otra.

No se puede utilizar la frecuencia de 50 Hz de la red eléctrica ya que esta frecuencia es muy baja y las bobinas que vamos a construir se desenvuelven mejor a frecuencias superiores, de varios Khz, por eso tenemos que hacer un sencillo oscilador.

La base lleva un potenciómetro para regular la potencia que enviamos a la bobina, con lo cual el LED de la lámpara brillará mas o menos.


2) La lámpara. Un recipiente de plástico de nuestra elección. Será suficiente con que sea capaz de albergar en su interior una bobina (que también haremos) y uno o dos LEDs de alto brillo.

En principio doté a esta lámpara de un mini-circuito de tres componentes para limitar la tensión a 3,6 voltios y no romper los LEDs, pero comprobé que no era necesario, conectando los LEDs directamente a la bobina éstos no se rompen aunque pongamos a máximo la regulación en la base.

Fig 2. La "lámpara", un simple frasco de plástico

Para la lámpara, la elección de un recipiente u otro será más bien por consideraciones estéticas. Yo particularmente he elegido un frasco de plástico transparente con dibujos y letras.

A la izquierda en la figura 2 la lámpara sobre la base, que será la que le envíe la inducción.




2. Proyecto sin peligro. Apto para todos

Habida cuenta que vamos a utilizar un alimentador de 12 voltios, que la potencia implicada es muy reducida y que no se van a emplear productos químicos ni nada que comprometa la seguridad, salvo los riesgos conocidos de utilizar herramientas comunes de bricolaje, este proyecto es apto para todos los públicos pero se recomienda supervisión de adulto especialmente en el manejo de taladradoras y herramientas similares.

Importante: Que el alimentador sea al menos para 500 mA (y si es de 1 Amperio mejor), aunque el consumo real será menor (unos 160-180 mA) conviene dejar ese margen de seguridad para que no se caliente excesivamente el alimentador.




3. Esquema

Fig 3. Diagrama de bloques de la lámpara de inducción

En la figura 4 vemos el diagrama de bloques conjunto de este montaje.

A la base entran 12V desde un alimentador común que se aplican al circuito modulador PWM y de éste salen dos cables a la bobina. En la lámpara, que se colocará encima de esta base, hay otra bobina que captará la radiación de la bobina de la base y se la entrega a uno o (en mi caso) dos LEDs de alto brillo: Uno blanco y otro azul.

LA BASE:

Este esquema (Fig.4) corresponde a un oscilador, pero sería mas correcto hablar de un modulador de ancho de pulsos o PWM (Pulse With Modulator), que básicamente es un oscilador, pero con la posibilidad de regular la potencia con la que trabaja. Así podremos ajustar qué energía enviamos a la bobina para asegurar un buen funcionamiento gastando el mínimo de corriente.

En realidad se trata un circuito basado en el "regulador de corriente continua para motores DC" que subí hace unos meses.

Fig 4. Esquema del modulador de ancho de pulsos.

El circuito integrado IC1, un 555, entrega en su pin de salida 3 una sucesión de pulsos de ancho variable según la posición del potenciómetro P1. La tensión de salida es la misma siempre, lo que varía es el ancho de cada pulso. Esto posibilita regular la potencia. Dicha salida del pin 3 se aplica al "gate" de un mosfet que conducirá o no según el nivel del pin 3 del 555 sea alto o bajo. Si los pulsos son anchos, el mosfet conducirá más tiempo: Mas potencia. Si los pulsos son estrechos, el mosfet conducirá menos tiempo: Menos potencia.

Estos pulsos ocurren en rápida sucesión (miles de veces por segundo) así que nosotros no percibimos parpadeo ni oscilaciones en el LED, lo veremos brillar de forma continua.

El resultado es que la bobina L1 será recorrida por una corriente alterna de unos 3 Khz y emitirá un campo electromagnético.



LA LÁMPARA

El circuito es más sencillo aún.

Funciona conectando el LED directamente a la bobina. En mi caso serán dos LEDs, y se conectan en paralelo a la bobina.



LAS BOBINAS

Debo hacer un alto para decir algunas cosas sobre estas bobinas. No podemos usar cualquier bobina, y tampoco podemos orientarlas de cualquier manera.

Bobinas las hay de muchos tipos (Fig.5), pero debemos usar aquéllos tipos que permiten salir afuera de la bobina al campo electromagnético. Por lo tanto, las de tipo toroidal están descartadas ya que el campo está encerrado en el núcleo.

Usaremos las de tipo longitudinal (bobinando un trozo de ferrita) o mejor aún, las de tipo "pancake" a modo de disco o torta. Las primeras son más fáciles de hacer, pero las segundas son más eficaces para este uso.

Fig 5. Bobinas Toroidal, longitudinal de ferrita  y "pancake". Sólo las dos últimas valen para este proyecto.

También hay que orientarlas correctamente. Si las ponemos juntas de cualquier manera no se producirá la inducción. Hay que juntarlas tal como se muestra en el vídeo.

Finalmente, tenemos el tema "limitación de espacio". En la base no hay problema de espacio, así que podemos elegir entre el tipo longitudinal de ferrita o tipo pancake. En cuanto a la lámpara, depende del tipo de recipiente que usemos. Si es un bote mas o menos ancho podemos usar cualquiera de los dos tipos de bobina, pero si usamos como lámpara una botella o frasco pequeños tendremos que usar forzosamente la versión longitudinal con ferrita para que quepa en su interior.



4. Materiales

Este proyecto lo considero mediano-fácil en cuanto a componentes. Un buen número de ellos pueden ser de reciclaje. Tenemos que hacer dos unidades separadas: La base donde irá la bobina generadora, y la "lámpara" donde  irá la bobina receptora y el/los LEDs.



4.1. Materiales para la base

Fig 6. Materiales base. Faltan en la foto: El alimentador de 12V, clavija entrada de 12V y zócalo para el 555

- 1 alimentador 12V de al menos 500 mA, mejor si es de 1 Amp.
- Un tupper o caja de tamaño adecuado
- L1: Bobina que haremos nosotros mismos (Detalles en punto 6.1)
- Circuito impreso de 80 x 80 mm aproximadamente
- R1: 1 Resistencia de 1K5 (1500 ohm -marrón, verde, rojo- de 1/4W)
- D1 y D2: 2 diodos 1N4148
- P1: Potenciómetro 100K (no importa lineal o logarítmico)
- C1: Condensador 47n
- C2: Condensador 10n
- IC1: Circuito integrado 555
- Q1: Mosfet IRF630 o similar
- 2 Conectores de 2 vías (alimentación y salida bobina)
- 1 Conector de 3 vías para el potenciómetro

Recomendado:
- Disipador térmico para el IRF630
- 1 zócalo 4+4 pines para el 555
- 4 separadores para el PCB
- 4 juegos tornillo M3-arandelas-tuerca para el PCB. Largo tornillo: 15-20 mm
- 1 tornillo M4 de unos 50 mm largo (depende de lo alto que sea el tupper) + 2 tuercas + 1 arandela de ala ancha para sujetar la bobina al PCB y hacerlo a una altura correcta de modo que la bobina apenas roce al tupper en la parte superior. A falta de tornillo puede usarse un palito, bolígrafo gastado o similar.


4.2. Para la lámpara

- Una botella o recipiente para hacer de lámpara. Será suficiente con que pueda alojar en su interior los pocos componentes que llevará. Por lo demás, ésta es una elección mas bien "artística" y personal. Conviene evitar el cristal y elegir plástico, por seguridad.

Si la bobina de la lámpara va a descansar sobre la tapa del recipiente elegido, esta tapa no puede ser metálica pues actuaría como blindaje, como jaula de Faraday y no se encenderían los LEDs.

- Bobina que haremos nosotros mismos (Detalles en el punto 6.2)

- D6, D7: Dos diodos LED de alto brillo (Puede ponerse sólo uno).

5. Prueba en protoboard

Circuito dispuesto en protoboard:

Le conecto una bobina a su salida. Pongo un separador de 4 mm para simular la separación entre ambas bobinas y pongo la otra bobina encima. 

A la bobina receptora le conecto dos LEDs de alto brillo, uno blanco y otro azul, en paralelo.

Pongo la regulación del PWM de la base a mínimo.
Aplico 12 voltios al circuito.

Los dos LEDs están apagados, pero al accionar el potenciómetro P1 del PWM de la base comienzan a lucir. Veo que con un buen nivel de luz el consumo en el circuito PWM es de tan sólo 160-180 mA.

Fig 7. Prueba en protoboard totalmente satisfactoria

La frecuencia de trabajo del 555 aquí es importante. Obtuve los mejores resultados poniendo C1 de 47nF. Originalmente en el circuito era de 1nF.

El resultado me parece OK y sigo adelante...



6. Montaje

6.1. Montaje de la base

6.1.1. Hacemos la bobina:

Como en la base no hay problemas de espacio, haré una bobina de tipo pancake, pero también se puede hacer de tipo longitudinal con ferrita.


MÉTODO:

Yo utilicé como material:
- Dos discos de madera de 70 mm diámetro y 4 mm grosor madera DM
- Dos monedas de 2 céntimos o dos arandelas de diámetro semejante
- Unos 25-30 metros de cable esmaltado de 0,35 mm diámetro
- Pegamento epoxi
- Cola blanca
- Un tornillo M4 + arandela + tuerca para unir todo como un carrete

Fig 8. Materiales para hacer la bobina

1) Hacer en el centro de los discos un taladro a 4 mm

2) Hacer un taladro de 4 mm en el centro de ambas monedas. Si vas a usar arandelas por supuesto este paso no es necesario

3) Pegar con epoxi ambas monedas, centradas, en uno de los discos.

4) Hacer un taladro de 1 mm en el disco junto a las monedas pero sin taladrar las monedas. Por aquí pasaremos el hilo para formar un borne de la bobina.

5) Hacer otro taladro de 1 mm en el mismo disco, opuesto al taladro anterior, pero en el borde de dicho disco. Por aquí pasaremos el hilo para formar el segundo borne de la bobina.

6) Aplicar un poco de cola blanca en la cara interna del disco que lleva las monedas

7) Pasar el hilo de cobre por el taladro 4) sujetar el hilo con cinta adhesiva por la cara externa del disco (la que no lleva las monedas).

8) Ponemos el segundo disco y los aseguramos ambos con tornillo, arandela y tuerca, formando un carrete.

9) Comenzamos a bobinar. No sé exactamente el largo de hilo porque lo iba tomando de un carrete muy grande de tipo industrial, pero estimo que pueden gastarse fácilmente 30-40 metros de hilo. Es necesario llenar este carrete y hacer así una bobina con bastantes vueltas y una buena longitud de hilo. Si hacemos la bobina con pocas vueltas y/o poco hilo, su resistencia y su valor de inductancia serán muy bajas y el mosfet se calentará excesivamente aparte de que gastaremos electricidad de más. El número de vueltas tampoco lo conté: Simplemente hay que llenar este carrete, unas 200-300 vueltas serían...

10) Paramos de bobinar cuando veamos que estamos a punto de alcanzar el agujero de 1 mm en el borde del disco de madera (no debemos tapar ese agujero con el bobinado).

11) Sujetando el hilo para que no se deshaga la bobina cortamos dicho hilo y lo pasamos por ese agujero, ya tenemos el segundo borne de la bobina. Aseguramos de momento con cinta adhesiva ese hilo.  No olvidar dejar al menos unos 10 cms de hilo libre en cada borne de la bobina. Hay que lijar los extremos para quitar el esmalte y poder hacer la conexión.

12) Ponemos un poco de cola blanca en el cobre que está a la vista, a lo largo de todo el carrete, para evitar que la bobina se deshaga.





13) Una media hora después, cuando la cola blanca haya endurecido parcialmente, aflojamos el tornillo que une ambos discos, pero damos sólo una vuelta al tornillo, lo justo para permitir que ambos discos giren.

14) Vamos a girar el disco de madera (el que no tiene las monedas, el que no tiene los agujeros de salida de los dos hilos) en el mismo sentido en que hicimos el bobinado, con esto despegaremos la cola blanca que une ese disco con el bobinado ya que si retiramos ese disco así, sin más, las espiras saldrán pegadas a ese disco y la bobina se va a deshacer. Girar el disco puede exigir cierto esfuerzo, pero se puede. No hay que temer romper o deshilachar el cobre siempre que la madera se gire en el mismo sentido en que se hizo el bobinado.

15) Terminamos de retirar el tornillo que une ambos discos. Con cuidado, terminamos de retirar el disco de madera. Es posible que algunas espiras se hayan unido al disco. Con un destornillador muy fino las despegaremos. En mi caso, según veis en el vídeo, ese disco salió con gran facilidad.

La razón de quitar este disco de madera es ahorrar los 4 mm que mide de grosor y poder juntar más ambas bobinas. A mayor distancia, la inducción decrece.

16) Podemos poner un poco de cola blanca (mejor si es transparente) sobre el cobre, para pegar las espiras que hayan podido quedar sueltas. Esparcir con cuidado la cola blanca con un bastoncillo de algodón mejora el acabado de la bobina.

Ha costado un poquito, pero la bobina está terminada. 
La bobina debería quedar más o menos así:

Fig 9. Bobina tipo pancake terminada. Hacen falta dos: Una para la base, otra para la lámpara.

6.1.2. Hacemos el PCB

Para este montaje no voy a hacer un PCB mecanizándolo, voy a recurrir a la placa pre-impresa de puntos que tantas veces hemos utilizado. Este circuito es muy sencillo, son muy pocos componentes y así simplificamos.

PCB lado componentes:

Fig 10. PCB del PWM lado componentes.

Resulta un poco extraño ver los conectores en diagonal. ¿La razón? Su distancia entre pines es de un décimo de pulgada Y MEDIO, por lo que no se pueden insertar en el PCB a no ser que hagas un taladro entre dos orificios. Si pones esos conectores en diagonal entran perfecto. Solución no muy estética, pero rápida y buena. 


PCB Lado "pistas":

Fig 11. PCB del PWM lado conexiones.

La bobina la voy a sujetar al PCB así:

Hago un taladro en el centro del PCB a 4 mm. 
Fijo un tornillo largo + tuerca en el PCB
En ese tornillo pongo una tuerca a altura variable, una arandela, y sobre esa arandela descansará la bobina. Tengo que procurar que cuando cierre el tupper el cobre de la bobina roce la pared superior del tupper, pero sin forzarla. 

Para ajustar la altura de la bobina moveré la tuerca a un lado o a otro. Esto se comprende mejor en el vídeo.


6.1.3. Mecanizamos el tupper

En el tupper hay que sujetar tres cosas:
- el circuito (recomendado no dejarlo suelto)
- el potenciómetro P1 para regular la potencia de salida del PWM
- La clavija de entrada de alimentación de 12 voltios

Situamos el PCB en el tupper, marcamos la posición de los cuatro taladros de las esquinas y taladramos el tupper. Con cuatro separadores de nylon y 4 tornillos + tuercas, fijamos el PCB al tupper.

El potenciómetro lo fijaremos como siempre, con su tuerca.

La clavija 12V va como el potenciómetro, aunque el taladro suele ser menor


6.1.4. Sujetamos las cosas al tupper

Una vez todo sujeto en el tupper, hacemos las conexiones:
- Clavija de alimentación (+ y -) al conector del circuito
- Salida a la bobina desde el conector del circuito
- Salida desde el conector al potenciómetro, serán tres cables.

Cerramos el tupper. Si todo está bien, el cobre de la bobina rozará el techo del tupper, sin quedar espacio libre pero tampoco forzándolo.

Fig 12. Base terminada. La bobina roza la parte superior del tupper pero sin forzarlo

6.2. Montaje de la lámpara

La base ya está terminada, vamos ahora a por la lámpara.
Como dije antes, podemos elegir entre muchos tipos de recipiente para que actúe como lámpara. Según el tipo de recipiente tendremos libertad para elegir si hacer bobina de ferrita o bobina tipo pancake.


6.2.1. Hacemos la bobina receptora

En el caso de optar por el modelo pancake simplemente repetir los pasos del apartado 6.1.1. porque la bobina es igual.


6.2.2. Hacemos un soporte para los LEDs

Con media pinza de la ropa y unos alambres podemos hacer un soporte para los LEDs (Fig.13). Los alambres servirán para fijar los LEDs y también para conectarlos eléctricamente. Recuerda que debes poner juntos los cátodos de ambos diodos en un alambre (si vas a poner dos diodos) y juntos los ánodos en el otro alambre, pues van en paralelo.

Fig 13. Soporte para los LEDs. Facilito...

Ahora conectamos los bornes de la bobina a los terminales de los LEDs y el soporte está terminado.


6.2.3. Sujetamos todo a la tapa de la botella y la cerramos

Para que el montaje bobina-leds no se mueva y permanezca estable recomiendo pegar la bobina a la base del recipiente lámpara. No recomiendo usar pegamento demasiado fuerte por si alguna vez hay que extraer dicho montaje. Ojo a los envases que llevan un fondo cóncavo y esto ocurre en muchos tipos de botellas: Esto aleja bastante a la bobina de la lámpara de la bobina de la base y el invento puede funcionar muy flojo o incluso no funcionar por estar demasiado separadas las dos bobinas. La bobina de la lámpara debe descansar sobre un fondo plano para que esté lo más cerca posible de la bobina de la base.

Si tienes capricho por una botella particular y ésta tiene el fondo muy cóncavo, úsala invertida, con el tapón hacia abajo que suele ser bien plano. La botella será menos estable, pero también hace un bonito efecto.

7. ¿Porqué el PWM no rompe los LEDs cuando se regula a máximo?

El circuito PWM regula el brillo de los LED, pero cuando P1 está a mitad de su recorrido sucede algo extraño: Si se gira más P1, Los LEDs no brillan más a pesar de que el polímetro señala claramente que el consumo aumenta hasta llegar a casi medio amperio.

Es decir, el máximo brillo ocurre más o menos con unos 170 mA

¿Porqué sucede esto?

Cuando los impulsos del PWM se van haciendo más anchos se supone que se envía más energía a la bobina, y así es, pero en esta ocasión necesitamos el flanco ascendente y descendente de cada impulso, que es lo que provoca la inducción. La parte plana del impulso no produce inducción, por eso se da la paradoja de que a pesar de que la bobina está siendo recorrida por más corriente, los LEDs no brillan más. En este caso simplemente la bobina se calentará porque está siendo recorrida por más corriente, pero los LEDs no brillan más.

En el caso de que estuviéramos gobernando la bobina de un motor con este PWM entonces sí funcionaría, porque la parte plana superior del impulso SÍ produce trabajo de atracción-repulsión entre el rotor y el estátor del motor.



8. El Vídeo

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