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 turbomolecular. 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 turbo molecular, 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. Adquiri una de esas bombas sin garantía por 80 € y cuando la recibí chorreaba gasoil, por lo que me vi obligado a desarmarla y limpiarla.
Fundamento de una bomba turbo molecular.
Una bomba de vacío turbo molecular es poco mas o menos como parte de la turbina de un avión pero en pequeño y girando a altas revoluciones. Su construcción es muy similar, la bomba presente se compone de 10 juegos de paletas móviles (rotor) y otros tantos juegos de paletas fijas (estator). Tanto las paletas móviles como las fijas están orientadas para que las moléculas presentes a la entrada ( área de baja presión) sean lanzadas progresivamente hacia el área de alta presión (salida) donde son extraídas por una bomba auxiliar. En estas bombas las paletas actúan como si fuesen raquetas de tenis, y cuando una molécula de gas se interpone en su trayectoria la impulsan en dirección al área de alta presión. Para que una bomba de este tipo sea eficaz, su velocidad lineal tiene que ser igual o superior que la velocidad de las moléculas que es del orden de 450 m/s. Para conseguir esto las paletas de una de estas bombas con un diámetro de giro de 6 cm tiene que alcanzar las 60.000 revoluciones por minuto. Para bombas mayores basta con 40.000 rpm.
Estas bombas tienen forzosamente que trabajar en vacío por dos razones, primero para que el gas se comporte en forma molecular y segundo porque se necesitarían varios kilovatios para poder hacer girar estas bombas a la presión atmosférica.
Para que las bombas tubo pueden mantener estos regímenes de revoluciones tan altos se requieren varias sofisticaciones mecánicas. No pueden funcionar con motores con escobillas, los rozamientos tienen que ser mínimos, la vibración de todo el cuerpo móvil debe ser mínima, no pueden desprenderse gases y no pueden producir calor en el interior porque al estar en el vacío terminarían por quemarse.
Para conseguir estas características el rotor de las bombas esta construido a partir de una única pieza de titanio o aleaciones de aluminio muy resistentes. El peso se reduce al mínimo y se equilibran dinámicamente para que no exista ningún desplazamiento del centro de masas. Debido a que las paletas no deben soportar muchos esfuerzos se hacen tremendamente delicadas y finas. Para reducir los rozamientos se emplean cojinetes cerámicos, que no necesitan engrase y aguantan temperaturas mucho mas altas que los metálicos. Algunas bombas grandes en vez de emplear rodamientos cerámicos emplean levitación magnética, de manera que mantienen el conjunto rotor en su posición sin contacto mecánico con ningún otro material, de esta manera reducen los rozamientos al mínimo y sin necesidad de lubricación.
El motor que mueve las paletas es solidario y coaxial con estas, por lo tanto el motor debe proporcionar las mismas revoluciones que necesita el rotor. No pueden emplearse por supuesto sistemas de engranajes para aumentar la velocidad. Además hay que considerar que el diseño de estos dispositivos debe ser estanco.
Estas bombas se mueven mediante un motor asíncrono con rotor en jaula de ardilla. El estator esta formado por tres pares de devanados desplazados 120 grados de manera que al ser excitados por una corriente trifásica generan un campo magnético rotatorio que arrastra al rotor.
Es sabido que los motores en jaula de ardilla en vacío el rotor gira a las mismas revoluciones que el campo magnético (suponiendo un solo par de polos por fase) y por lo tanto a la frecuencia de alimentación. Cuando se le exige esfuerzo, al motor las revoluciones del rotor bajan y se produce un deslizamiento, el par de estos motores es proporcional al deslizamiento.
Como se ha dicho la velocidad de giro es la de la frecuencia de alimentación, así es que si alimentásemos uno de estos motores a 50 Hz de la red no conseguiríamos mas que una velocidad de rotación de 50 revoluciones por segundo que equivalen a 3000 rpm. Como necesitamos 60.000 rpm tenemos que emplear una frecuencia 20 veces mayor, 1000 Hz, pero a esta frecuencia el par no produciría fuerza ni para vencer los rozamientos de los rodamientos, así es que se alimente a 1200, esperando que el rotor alcance al menos las 60.000 rpm.
La energía cinética del conjunto motor- rotor de estas bombas es muy alta debido a su alto numero de revoluciones. Como se sabe esta energía cinética es función de la masa, del radio equivalente de masas y del cuadrado de la velocidad angular. Como la velocidad angular es 25 veces superior a la de un motor convencional su energía cinética será 625 veces mayor, lo que significa que tanto en el arranque como la parada será mucho mas dificultosa. Suponiendo una relación potencia / momento de inercia de dos motores iguales, debido al alto numero de revoluciones una bomba turbo tardara 625 veces mas tiempo en alcanzar su régimen normal de revoluciones que un motor convencional. Como promedio una bomba turbo suele tardar en alcanzar ese régimen tres minutos.
El problema del arranque.
Alimentado una bomba de estas características directamente con 1200 Hz, lo único que conseguiríamos es calentar los devanados. Es decir tendría tan poco par que no arrancaría. Además cuando el deslizamiento (diferencia de velocidad entre el campo magnético y el rotor) es muy grande el consumo es muy alto ya que los devanados se comportan como si estuviesen en cortocircuito. Por ello estos motores se arrancan a una frecuencia relativamente baja ( de 1500 a 5000 rpm) y se aceleran, cambiando la frecuencia , paulatinamente a el régimen máximo de revoluciones. Este cambio debe realizarse empleando el menor tiempo posible, para que la bomba entre a funcionar cuanto antes, pero en la posición de máximo par, para que el rotor acelere lo mas posible y no «se pierda». Es decir que no caiga en una situación de bajísimo par que le impida acelerar hasta alcanzar el máximo de revoluciones.
Para conseguir el máximo de rendimiento algunas bombas tienen un tacómetro en el rotor y mediante un circuito se controla que la frecuencia de alimentación se adelante una cantidad adecuada a la del rotor de manera que se trabaje siempre en la zona de máximo par. La bomba en cuestión no dispone de tacómetro pero hay una forma de saber cuando la cosa anda bien.
Efectivamente, cuando el rotor esta enganchado al campo magnético del estator el consumo de corriente es mínimo. Y la zona de máximo para se encuentra cuando el consumo de corriente es entre un 20 y un 50% superior a la mínima. Si el consumo excede estas cifras es que el rotor se esta perdiendo y conviene bajar la frecuencia de excitación.
El problema del frenado.
Si cuando la bomba esta al máximo régimen de revoluciones en el vacío eliminamos la excitación el rotor puede estar girando libremente durante cerca de media hora. Esto no seria ningún problema salvo que tratemos de poner de nuevo la bomba en marcha. Si dejamos que entre aire la bomba se parará en pocos minutos. Aun así resulta conveniente frenar la bomba lo antes posible. Para ello lo mejor es bajar la frecuencia de excitación del máximo al mínimo en el menor tiempo posible. Estos parece trivial pero no lo es. Si quitamos la excitación toda la energía cinética del rotor se emplea en seguir girando y no tiene ningún efecto secundario. Pero si bajamos la frecuencia de la excitación por debajo de la de giro el motor comienza a generar corriente y eso hace que aparezcan sobretensiones en la excitación que si no están previstas destruyan los circuitos.
El problema de las sobrecargas.
Todos sabemos que si bloqueamos el eje de un motor la corriente que absorbe es mucho mayor y en pocos minutos los devanados se pueden quemar. En el caso de las bombas turbo, una entrada repentina de gas a la cámara de vacío puede provocar una sobrecarga del motor y una perdida repentina de revoluciones. Esta sobrecarga además de un excesivo consumo de corriente puede sacar a la bomba de su punto de enganche y definitivamente perderse, es decir no conseguir acelerar de nuevo la bomba. Por ello es conveniente que en caso de sobrecarga la frecuencia de excitación baje enganchada con el giro del rotor, de esta manera se disminuye el consumo y se posibilita que el rotor de nuevo se acelere en cuanto la sobrecarga desaparezca.
Revisión y limpieza.
Cuando recibí mi primera bomba, y abrí la caja en que me la enviaban y estupor recorrió mi cuerpo. El vendedor en un intento de agradarme había limpiado cuidadosamente la bomba sumergiéndola en gasoil. Apestaba a gasoil y en vacío nada que huele, huele bien. Si necesitaba una excusa para desarmarla y verla por dentro ya la tenia y por triplicado. Me voy a permitir una sugerencia, cuando en vacío se emplee un liquido para limpiar hay que ser muy radical, o se emplea algo que se evapore muy rápidamente o se emplea algo que no se evapore. Si se vapora rápidamente con un poco de ayuda desaparecerá enseguida. Pero justamente el gasoil esta en el sitio intermedio así que me vi obligado gustosamente a destripar el invento.
En la imagen anterior se ve la bomba, encima tiene conectado un medidor de vacío del tipo de cátodo frío. Entremedias unos adaptadores de paso QF63 al medidor. La conexión a la bomba mecánica se realiza con tubo de inox corrugado como se ve parcialmente abajo a la izquierda.
Aquí se ve la bomba parcialmente desarmada. Se aprecian los alabes del rotor. Obsérvese que son muy finos y delicados para aligéralos todo lo posible.
Los alabes del estator retirados de la bomba mientras se están secando después de pasar por la limpieza en seco.
Realización del controlador
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 observación 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 ralentí 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