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En la práctica diaria de la electrónica es necesario utilizar una serie de herramientas, y sin duda una de las más importantes es la conocida como pistola de soldar, puesto en dicha actividad se deben soldar o desoldar constantemente los componentes electrónicos, casi siempre sujetos a la placa de circuito impreso por medio de soldadura con estaño.
Nota: En realidad este llamado estaño de soldadura utilizado en electrónica no se trata de estaño puro, como lo veremos un poco más adelante en este mismo texto, sino más bien es una aleación de plomo y de estaño, la cual, por lo general, se presenta en la forma de un alambre de distintos diámetros.
En todo caso, y como pasa también en otras áreas, por desgracia a veces nos resulta difícil encontrar la mencionada herramienta para soldar con estaño en una tienda u otro sitio, y eso a su vez dificulta bastante nuestro desarrollo o desempeño.
Por eso en este corto escrito vamos a empezar a ver de un modo detallado cómo podemos diseñar una pistola de soldar desde cero, para así ser capaces de hacernos una a la medida según nuestras necesidades, puesto si se viene a ver, para la construcción de una pistola de soldar no se necesitan materiales imposibles de conseguir, y muchos de ellos pueden recuperarse de otros dispositivos desechados.
Es necesario tener presente también que para hacernos una pistola de soldar con estaño no es imprescindible seguir este procedimiento ni llevar a cabo todo este cálculo, lo hice así más bien para ir viendo el origen de muchos datos implicados en el diseño, aun si para no complicarnos mucho sólo usaremos cálculos de los más simples posibles, más propios de la escuela secundaria.
En fin, comencemos:
En primer lugar debemos saber el funcionamiento de una pistola de soldar se basa en un principio físico conocido como Efecto Joule, un efecto es necesario decir indeseable en algunas ocasiones, dado entre otras cosas provoca la pérdida de grandes cantidades de la energía eléctrica en las líneas de transmisión, en cambio imprescindible en otras como en la presente.
En efecto, en una pistola de soldar, como imagino casi todos deben saber, por lo común utilizamos un segmento de conductor de cobre de un determinado diámetro amoldado en forma de punta; dicha punta de cobre es usada como elemento calefactor de la pistola, y el calor se genera en ella debido a la intensidad de una corriente eléctrica circulando por su interior, como veremos enseguida.
En esto precisamente consiste el Efecto Joule, es decir, este efecto nos indica que cuando por un conductor eléctrico circula una corriente, en su interior se ponen en marcha las partículas eléctricamente cargadas, ese movimiento causa a su vez se produzcan una serie de colisiones entre ellas y las restantes partículas del material, y como resultado de todo ello, una parte de la energía cinética de las partículas en movimiento se convierte en calor, lo cual a su vez propicia un marcado incremento de la temperatura del conductor (en este caso la punta de la pistola).
Nota: La corriente eléctrica se define como el movimiento ordenado y dirigido de las partículas eléctricamente cargadas.
En los metales las partículas eléctricamente cargadas son los electrones libres, y estos se ponen en marcha, como hemos dicho, cuando en los extremos del conductor se presenta una diferencia de potencial, en ese momento se producen las comentadas colisiones entre los electrones y los átomos o iones del metal; como los electrones poseen carga negativa se mueven hacia donde está el polo positivo de la fuente de alimentación, a pesar de en física considerarse un sentido contrario del movimiento de la corriente, lo cual se debe a razones históricas, por realizarse muchos de los experimentos iniciales con electrólitos.
Nota: En realidad los electrones sólo se mueven en un solo sentido cuando se encuentran bajo la influencia de una corriente eléctrica continua, cuando se trata de corriente eléctrica alterna como la de la red de distribución, más bien oscilan en un sentido y en otro según la frecuencia de dicha corriente (60 Hz en Cuba).
Todo lo comentado está relacionado cuantitativamente por la Ley de Joule-Lenz, una de cuyas expresiones es como sigue:
Nota: En realidad este llamado estaño de soldadura utilizado en electrónica no se trata de estaño puro, como lo veremos un poco más adelante en este mismo texto, sino más bien es una aleación de plomo y de estaño, la cual, por lo general, se presenta en la forma de un alambre de distintos diámetros.
En todo caso, y como pasa también en otras áreas, por desgracia a veces nos resulta difícil encontrar la mencionada herramienta para soldar con estaño en una tienda u otro sitio, y eso a su vez dificulta bastante nuestro desarrollo o desempeño.
Por eso en este corto escrito vamos a empezar a ver de un modo detallado cómo podemos diseñar una pistola de soldar desde cero, para así ser capaces de hacernos una a la medida según nuestras necesidades, puesto si se viene a ver, para la construcción de una pistola de soldar no se necesitan materiales imposibles de conseguir, y muchos de ellos pueden recuperarse de otros dispositivos desechados.
Es necesario tener presente también que para hacernos una pistola de soldar con estaño no es imprescindible seguir este procedimiento ni llevar a cabo todo este cálculo, lo hice así más bien para ir viendo el origen de muchos datos implicados en el diseño, aun si para no complicarnos mucho sólo usaremos cálculos de los más simples posibles, más propios de la escuela secundaria.
En fin, comencemos:
En primer lugar debemos saber el funcionamiento de una pistola de soldar se basa en un principio físico conocido como Efecto Joule, un efecto es necesario decir indeseable en algunas ocasiones, dado entre otras cosas provoca la pérdida de grandes cantidades de la energía eléctrica en las líneas de transmisión, en cambio imprescindible en otras como en la presente.
En efecto, en una pistola de soldar, como imagino casi todos deben saber, por lo común utilizamos un segmento de conductor de cobre de un determinado diámetro amoldado en forma de punta; dicha punta de cobre es usada como elemento calefactor de la pistola, y el calor se genera en ella debido a la intensidad de una corriente eléctrica circulando por su interior, como veremos enseguida.
En esto precisamente consiste el Efecto Joule, es decir, este efecto nos indica que cuando por un conductor eléctrico circula una corriente, en su interior se ponen en marcha las partículas eléctricamente cargadas, ese movimiento causa a su vez se produzcan una serie de colisiones entre ellas y las restantes partículas del material, y como resultado de todo ello, una parte de la energía cinética de las partículas en movimiento se convierte en calor, lo cual a su vez propicia un marcado incremento de la temperatura del conductor (en este caso la punta de la pistola).
Nota: La corriente eléctrica se define como el movimiento ordenado y dirigido de las partículas eléctricamente cargadas.
En los metales las partículas eléctricamente cargadas son los electrones libres, y estos se ponen en marcha, como hemos dicho, cuando en los extremos del conductor se presenta una diferencia de potencial, en ese momento se producen las comentadas colisiones entre los electrones y los átomos o iones del metal; como los electrones poseen carga negativa se mueven hacia donde está el polo positivo de la fuente de alimentación, a pesar de en física considerarse un sentido contrario del movimiento de la corriente, lo cual se debe a razones históricas, por realizarse muchos de los experimentos iniciales con electrólitos.
Nota: En realidad los electrones sólo se mueven en un solo sentido cuando se encuentran bajo la influencia de una corriente eléctrica continua, cuando se trata de corriente eléctrica alterna como la de la red de distribución, más bien oscilan en un sentido y en otro según la frecuencia de dicha corriente (60 Hz en Cuba).
Todo lo comentado está relacionado cuantitativamente por la Ley de Joule-Lenz, una de cuyas expresiones es como sigue:
Q = I^2 * R * t
donde:
Q – Energía calorífica producida por la corriente eléctrica dada en Joule (J).
I – Intensidad de la corriente eléctrica circulando por un conductor dada en Ampere (A).
R – Resistencia eléctrica del conductor dada en Ohm (Ω).
t – Tiempo dado en segundos (s).
La ecuación anterior relaciona la intensidad de la corriente (I) circulando a través de un conductor de cierta resistencia (R) durante un determinado tiempo (t) con la cantidad de calor generado en dicho conductor en ese mismo tiempo (t) por la mencionada corriente eléctrica.
Pero como a nosotros nos interesa más bien la temperatura alcanzada por un conductor a medida por su interior circula una corriente eléctrica debemos detenernos también en otro término conocida como calor específico.
En este caso la relación matemática (o física) es como sigue:
Q = Ce * m * ΔT
donde:
Q – Energía calorífica consumida dada en Joule (J).
Ce – Calor específico del material dado en J/Kg*°C.
m – Masa del cuerpo dada en kilogramos (Kg).
ΔT – Incremento de temperatura de la masa del cuerpo dado en °C.
En este momento es bastante sencillo inferir que es posible igualar las ecuaciones antes presentadas, y de esa manera encontrar la corriente (I) que se necesita hacer circular por un conductor (punta de la pistola), de modo obtengamos una temperatura determinada en éste.
Por supuesto, para no complicar más las cosas vamos a obviar las condiciones exteriores, y no vamos a detenernos en otros detalles.
Nota: En ocasiones la cantidad de calor de la última ecuación expuesta se da en calorías en vez de en Joule (con los respectivos cambios en las unidades de otros de los parámetros usados en ella); en ese caso podemos convertir Joule a calorías fácilmente si tenemos en cuenta que cada caloría es igual a 4.19 J, valor éste conocido en física como equivalente mecánico del calor.
En resumen, igualando las ecuaciones dadas y despejando la intensidad de la corriente (I) obtenemos la siguiente ecuación:
I = SQRT((Ce * m * ΔT)/(R * t))
Nota: La función SQRT denota raíz cuadrada (SQuare RooT).
Pero ahora se nos presenta una pregunta más:
¿Qué temperatura necesitamos en la punta de la pistola para derretir el estaño?
En este caso caemos en el concepto de “soldadura eutéctica” el cual describe una aleación de soldadura que se funde y solidifica a una sola temperatura.
La aleación de plomo y estaño utilizada para soldar es un ejemplo de la mencionada clase de soldadura, con un 63% de estaño y un 37% de plomo funde y solidifica a 183 °C.
El punto de fusión de 183 °C de la aleación es mucho menor a los puntos de fusión de los metales puros, los cuales son 232 °C (estaño) y 327 °C (plomo).
Por tanto para poder derretir el estaño de soldadura, el cual como hemos visto consiste en una aleación con plomo, necesitamos superar los 183 °C en la punta de la pistola.
En nuestro caso, vamos a considerar una temperatura de por lo menos 190 °C en la punta de la pistola a partir de una temperatura ambiente de 28 °C, bastante propia del entorno en Cuba, por eso el valor calculado de ΔT sería como se muestra a continuación:
ΔT = 190 °C – 28 °C = 162 °C
Es decir, si estamos en una habitación a 28 °C y deseamos obtener en la punta de la pistola 190 °C la temperatura de dicha punta debe incrementarse 162 °C.
En adición a lo anterior, también necesitaremos el calor específico del cobre, el diámetro recomendado de la punta de la pistola para calcular su resistencia eléctrica a partir de la resistencia específica (ρ) propia del cobre, y la densidad de este mismo material de manera se pueda calcular la masa (m) de cobre de la punta (sin necesidad de pesarla).
Todos los datos anteriores nos permitirán calcular la intensidad de la corriente eléctrica mínima para obtener la temperatura necesaria en la punta de la pistola en un tiempo en segundos determinado según como a nosotros nos convenga.
Pero vamos a ir por pasos y calculemos primero la resistencia del cobre, para lo cual nos será necesaria la ecuación siguiente:
R = ρ * L / A
donde:
R – Resistencia eléctrica del conductor en Ohm (Ω).
ρ – Resistencia específica del material del conductor en Ohm-metro (Ω*m).
L – Longitud del conductor en metros (m).
A – Área de la sección transversal del conductor en metros cuadrados (m^2).
En la tabla siguiente podemos encontrar las resistencias específicas de varios materiales con la particularidad de tratarse de las resistencias específicas a 0 °C de temperatura (la resistencia eléctrica de los metales aumenta a medida estos están expuestos a una mayor temperatura):
Metal | Resistencia específica ρ a cero grados en Ω*m |
Plata | 1.06 x 10^-8 |
Cobre | 1.72 x 10^-8 |
Aluminio | 3.21 x 10^-8 |
Platino | 11.05 x 10^-8 |
En este caso, como las resistencias específicas antes expuestas están dadas para cuando el material está a una temperatura de 0 °C, necesitaremos corregir la resistencia obtenida con la ecuación siguiente (la variación en este caso es mínima pero igual lo tendremos en cuenta para otras situaciones):
Rt = R0 * (1 + α * t)
donde:
Rt – Resistencia del conductor a una cierta temperatura (t) dada en Ohm (Ω).
R0 – Resistencia del conductor a 0 °C dada en Ohm (Ω).
α – Coeficiente de temperatura del material.
t – Temperatura del material dada en °C.
En la tabla siguiente podemos ver los coeficientes de temperatura para varios metales:
Metal | Coeficiente de temperatura α en 1/°C |
Plata | 3.7 x 10^-3 |
Cobre | 3.8 x 10^-3 |
Platino | 3.9 x 10^-3 |
Los datos anteriores nos servirán para calcular la resistencia del segmento de conductor de cobre de la punta de la pistola utilizado la ecuación correspondiente en cada caso.
En la ecuación mostrada a continuación se ha utilizado una longitud del conductor de la punta de la pistola de 12 centímetros (0.12 metros), y un área de su sección transversal de 1.309 x 10^-6 correspondiente a un calibre de alambre 16 AWG:
R = ρ * L / A = 1.72 x 10^-8 * 0.12 / 1.309 x 10^-6 ≈ 0.0016 Ω
El valor del área de la sección transversal de 1.309 x 10-6 sale del diámetro de un alambre calibre 16 AWG (pueden verlo en una tabla AWG) y de la fórmula siguiente para calcular el área de un círculo, suponiendo se trata de un alambre cilíndrico:
A = Π * D^2 / 4
donde:
A – Área en metros cuadrados (m^2).
Π – Constante Pi igual a 3.14159.
D – Diámetro del cilindro en metros (m).
La resistencia obtenida antes, como comentamos, se corresponde con la existente en un conductor eléctrico de cobre calibre 16 de 0.12 metros de longitud expuesto a un ambiente a 0 °C de temperatura; y aun si como también mencioné, en este caso la corrección es insignificante, podemos hacer ese cálculo para obtener la resistencia del material a 28 °C de temperatura.
Rt = R0 * (1 + α * t) = 0.0016 * (1 + 3.8 x 10^-3 * 28) ≈ 0.0018 Ω
En este momento casi podemos empezar con los cálculos para obtener la intensidad de la corriente necesaria en la punta de la pistola de manera en ella se alcance la temperatura adecuada para derretir el estaño de soldadura, sólo nos iría faltando conocer la magnitud de la masa de cobre del alambre para lo cual podemos usar la siguiente fórmula:
D = P / V
donde:
D – Densidad del material en Kg/m^3.
P – Masa del material en kilogramos (Kg).
V – Volumen del material en metros cúbicos (m^3).
En esta última ecuación, si despejamos la masa (P), obtenemos:
P = D * V = 8900 * 1.5708 x 10^-7 ≈ 1.398 x 10^-3
El resultado obtenido con esta última fórmula nos dice el material de cobre de nuestra punta de pistola de 12 centímetros (0.12 metros) de largo de alambre calibre 16 AWG tiene una masa de unos 1.398 x 10^-3 kilogramos; en este caso 8900 es la densidad del cobre dada en Kg/m3 y 1.5708 x 10^-7 es el volumen de la punta en metros cúbicos, este volumen se calcula conociendo que el volumen de un cilindro es resultado de multiplicar el área de su base por su altura.
En resumen, ahora disponemos de los datos para calcular la intensidad de la corriente (I) necesaria en la punta de la pistola para alcanzar en ella una temperatura de 190 °C en un tiempo determinado (se han establecido 6 segundos) a partir de una temperatura inicial de 28 °C, y si tenemos en cuenta además que el calor específico del cobre se corresponde con un valor de 390 J/Kg*°C, nada más nos resta hacer los cálculos pertinentes:
I = SQRT((Ce * m * ΔT)/(R * t)) = SQRT((390 * 1.398 x 10^-3 * 162)/(0.0018 * 6)) ≈ 90 A
Es decir, si todos nuestros cálculos fueron correctos, y no nos enredamos con ninguna unidad de medida, se necesitan por lo menos 90 amperes de intensidad de la corriente en un conductor de cobre calibre 16 AWG de 12 centímetros de largo para poder elevar su temperatura de 28 °C hasta 190 °C en unos 6 segundos poco más o menos.
Por tanto, en caso de encontrarnos en un ambiente a 28 °C, como se ha supuesto, dicho incremento de temperatura debería de ser suficiente para derretir el estaño de soldadura, puesto éste, como hemos visto antes, funde a 183 °C.
Pero si nos podemos conformar con esperar un tiempo más largo en lugar de sólo los 6 segundos supuestos, podríamos reducir también la potencia necesaria del transformador de la pistola, y con ello su tamaño y su peso.
Por último sólo me resta despedirme esperando este procedimiento les sirva de algo, y en caso de encontrar un error, por supuesto sería bueno pudieran comentarlo para corregirlo.
En un artículo posterior podría dar un procedimiento para llevar a cabo los cálculos del transformador de la pistola si creen eso sea necesario. En realidad no lo hice en este sitio para no hacer el texto más largo, y también porque existen muchos artículos comentando cómo realizar dicho cálculo. En este caso sólo debemos calcular un transformador de los 110 V de la red (primario) a 1 V con una intensidad de la corriente de 90 A (secundario), con lo cual sería un transformador de unos 100 W de potencia.
Nota: En realidad si mal no recuerdo una pistola de soldar podría hacerse incluso con unos 40 W de potencia, en especial si se va a utilizar nada más para soldar componentes electrónicos pequeños.
