Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 1
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 2
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 3
Pruebas de iluminación y
temperatura……………………………..17
Resultados………………………………………………………………..……………17
Conclusión y propuestas para mejorar………………………………..18
Competencias desarrolladas y/o aplicadas.…………….…………..18
Referencias bibliográficas..………………………………………..………….18
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 4
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.
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 5
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.
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 6
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.
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 7
Actividades
Cronograma de actividades
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 8
Ilustración 1 cronograma de actividades
Diseño de PCB
Diagrama esquemático
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 9
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.
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 10
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 11
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 12
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 13
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 14
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 15
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 16
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.
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 17
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 18
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.
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 19
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
Diseño y fabricación de luminaria LED
Página 20
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
Top Related