Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 33
Fuentes Conmutadas
Distintos tipos De
Fuentes ConmutaDas Ya conocemos la mayoría de los bloques que constituyen una fuente pulsada. Hasta ahora analizamos el funcionamiento del transistor llave, el transformador de pulsos y el rectificador de secundario. En este capítulo vamos a agregar el oscilador (que en nuestro caso funciona utilizando el mismo transistor llave por tratarse de un circuito autooscilante), la etapa de control del período de actividad o regulador del circuito y el medidor de tensión de salida o circuito de medición. De esta manera estaremos en condiciones de realizar una primera “clasificación” de fuentes y hablaremos de las fuentes de transferencia directa. Coordinación: Ing. Horacio Daniel Vallejo -
[email protected] En base a informes de: Ing. Alberto H. Picerno
El OsCIlADOr DE lA FuEntE COnmutADA El oscilador de una fuente pulsada es el encargado de generar la señal alterna original de excitación de la base del transistor llave. Ese oscilador puede ser un bloque oscilador separado con sus propios componentes pasivos y acti-
vos o puede estar autocontenido en la misma etapa del transistor llave, simplificando el diseño. En el primer caso la frecuencia de oscilación es más estable; en el segundo la frecuencia se ve afectada por la regulación; pero la fuente es insensible prácticamente a los cambios moderados de frecuencia.
Service de Equipos Electrónicos
33
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 34
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
Un oscilador no es más que una variante de un amplificador. Se trata simplemente de un amplificador con realimentación positiva. En efecto la realimentación negativa reduce la amplificación y la distorsión de un amplificador. La positiva aumenta la amplificación y la distorsión de modo que llegado a un determinado nivel de realimentación la señal realimentada es mayor que la original y en ese momento se puede asegurar que el fenómeno de la amplificación se realimenta a si mismo, produciendo una señal de salida sin necesidad de generar la correspondiente señal de entrada. ¿A qué frecuencia se producirán las oscilaciones? Intuitivamente podemos contestar que será a aquella frecuencia en la que la realimentación positiva se hace máxima. En efecto no puede ser a otra frecuencia, ya que el amplificador no puede oscilar más que a una sola frecuencia, lo hará a aquella que primero cumpla con la condición “de amplificación total mayor a uno”. Si se exagera la realimentación positiva el oscilador tendrá una forma de onda no sinusoidal producto de una elevada distorsión, pero siempre seguirá oscilando a una sola frecuencia, con un elevado contenido de armónicas, tal que inclusive la señal de salida se puede parecer más a una onda rectangular que a una sinusoidal. En el caso de las fuentes conmutadas, se busca precisamente que la forma de señal del transistor sea una onda rectangular lo más per-
fecta posible para reducir la disipación por falta de una velocidad de conmutación adecuada. Con respecto a los bloques de medición (de la tensión de salida y de control del período de actividad), debemos aclarar aún en qué basan su funcionamiento. Los osciladores, ya sean autocontenidos o no, se diseñan con un período de actividad propio o intrínseco superior a lo necesario para establecer la tensión de salida adecuada en la peor de las condiciones. Es decir, que con la máxima carga y la mínima tensión de entrada, nuestro dispositivo no controlado, debe generar una tensión algo mayor a la correcta. Es decir, que al transistor llave, le debe sobrar período de actividad cuando trabaja en forma libre. Las etapas de medición y control deben analizar la tensión de salida y reducir el período de actividad en el valor necesario para establecer la tensión de salida correcta con una mínima tolerancia. Y si cambia la carga, o la tensión de red, la etapa de control variará el período de actividad rápidamente para compensar dicha variación. Aún sin conocer el circuito completo, el lector debe haber observado ya que nuestra fuente es un verdadero peligro para el funcionamiento del equipo que alimenta. En efecto, una falla en el control, puede aumentar la tensión de salida a niveles peligrosos que dañen a todo el aparato. Por esa razón, es que la mayoría de las fuentes poseen etapas de protección que cortan el funcionamiento cuando la tensión de salida supera un nivel predeterminado. Estas etapas de protección pueden estar incluidas en el medidor de ten-
Figura 1 - Circuito de medición a lazo abierto de una fuente autooscilante.
34
Service de Equipos Electrónicos
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 35
d istintos t ipos
de
F uentes C onmutadas
Figura 2 - Oscilograma de la medición de lazo abierto. sión de salida, en el transistor llave mismo, o ser exteriores a la fuente operando como un cortocircuito sobre la salida que quema el fusible de entrada a la fuente.
lA llAVE AutOOsCIlAntE Para que el lector comprenda como funciona nuestra fuente vamos a tomar el último circuito de la misma y lo vamos a modificar para que la base tenga acoplamiento capacitivo tal como lo indicamos en el capitulo 1, figura 1. Además vamos a conectar el osciloscopio en la señal de entrada a la base y en la derivación inferior del transformador de pulsos para poder establecer una comparación entre ellas. Por el momento no le de importancia al resistor R2 del cual luego vamos a explicar su funcionamiento en detalle. La sección agregada C5, R1 y D1 ya fue explicada. Le explicamos nuestra idea actual. Nosotros queremos sacar el generador de funciones y que la fuente funcione sola, sin ayuda externa, regulando a un valor de tensión de salida superior al normal (es decir con un tiempo de actividad alto para que se lo pueda
acortar y así regular la salida en el valor correcto). El osciloscopio lo conectamos sobre el generador que aún estamos usando y sobre un punto del circuito en donde se genere una señal similar a la del oscilador pero con una amplitud un poco mayor. Luego cuando conectemos ese secundario del transformador al capacitor C5 se producirá una realimentación positiva y el circuito autooscilará. En la figura 2 se puede observar el oscilograma de XSC1. Observe que la señal más alta es la señal de salida. En la parte superior se observa la señal de entrada con una menor amplitud. Esto significa que al unir ambos terminales se producirá una realimentación positiva que provocará las oscilaciones del circuito tal como lo enunciara un científico que estudió los osciladores y que se llamaba Barkhausen. Barkhausen decía que para que un circuito oscile se deben cumplir dos condiciones. * La condición de amplitud: El circuito debe poseer realimentación de la salida a la entrada y esa realimentación debe ser tal que abriendo el circuito una señal aplicada a la entrada debe
Service de Equipos Electrónicos
35
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 36
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
retornar desde la salida con una amplitud idéntica a la señal aplicada (condición de amplitud). * La condición de fase: Además esas señales deben estar en fase (condición de fase). Si esas condiciones se cumplen, el amplificador está justo en la condición de oscilación. Por supuesto que en todos los osciladores se hace regresar una señal algo más grande que la aplicada para asegurarse la oscilación. De cualquier modo hay que aclarar que no es conveniente exagerar, porque cuando la señal es demasiado grande, se producen distorsiones, salvo que se trate de osciladores no sinusoidales en donde la señal realimentada puede ser muchas veces más alta que la necesaria. Si unimos el secundario con la base y probamos, el circuito no oscila. Es necesario aplicar una corriente de arranque en la base del transistor que genere algo de corriente en el colector. Esa corriente pasa por el primario y genera alguna pequeña tensión en el secundario que se vuelve a aplicar a la base y que genera una corriente mayor de colector y así sucesivamente hasta que el circuito termina oscilando en forma estable. Además de los bloques de medición y control, existe un bloque que llamaremos de arranque y sirve para generar la primera señal, que la realimentación devuelve con mayor amplitud. En varios ciclos, la señal tendrá una amplitud suficiente como para que el oscilador funcione permanentemente y el sistema de arranque ya no tenga necesidad de existir. Pero en general el sis-
tema de arranque se deja conectado para simplificar el circuito. El lector curioso habrá observado la existencia del resistor R2. Este resistor es el de arranque de nuestra fuente y es de fundamental importancia para el funcionamiento de la misma. Todas las fuentes conmutadas requieren algún sistema de arranque para comenzar las oscilaciones. En muchos casos una vez establecidas las mismas, el sistema de arranque se levanta del circuito para que no consuma potencia. En otros como el nuestro se deja conectado permanentemente aceptando la potencia desperdiciada. En la figura 3 se puede observar el circuito de la fuente autooscilante sin sección de regulación. En realidad, el secundario de realimentación positiva debería estar aislado del secundario de la tensión de salida para que la fuente mantenga la aislación galvánica entre la red de energía y la TV, pero en el Multisim no tenemos ese transformador y utilizamos un transformador de audio con el programa modificado. De cualquier modo, si queremos medir con el mismo osciloscopio señales en el primario y en el secundario, no tenemos más remedio que arruinar la aislación galvánica con las dos masas del osciloscopio. Por lo tanto, usamos la misma masa para el primario y para el secundario pero recordando que en realidad están aisladas. En la figura 4 se puede observar el comienzo de las oscilaciones sobre los oscilogramas de colector en rojo y de base en verde del transistor llave. Observe que al conectar la fuente se esta-
Figura 3 - Circuito de la fuente autooscilante sin regulación.
36
Service de Equipos Electrónicos
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 37
d istintos t ipos blece una tensión de unos 900mV en la base que comienza a hacer crecer muy lentamente la corriente por el transistor reduciendo la tensión de colector. Esta reducción aumenta la tensión en el secundario de realimentación con lo cual el transistor va hacia la saturación; de este modo se precipitan los acontecimientos debido a la realimentación positiva y la tensión de base crece cada ves mas rápidamente hasta que el transistor se satura (oscilograma inferior). Comenzadas las oscilaciones podemos olvidarnos del resistor de arranque. Ahora el transistor permanecerá saturado mientras dure alta la tensión del bobinado de realimentación y esto depende del estado de carga del capacitor de base y de la saturación del núcleo del transformador. Cuando el mismo se cargue o el núcleo se sature, se reducirá la corriente por la base y el transistor se cortará rápidamente levantando la tensión de colector por encima del valor de fuente. En este estado, la tensión del bobinado de realimentación se hará fuertemente negativa y el capacitor de base se cargará negativamente haciendo circular corriente por el diodo D1. Este estado de corte tiene una duración que depende de la energía magnética acumulada en el transformador. Cuando dicha energía se agote, la tensión negativa del secundario de realimentación
de
F uentes C onmutadas
se reducirá y comenzará un nuevo ciclo de saturación.
lA EtAPA DE COntrOl Una etapa de control de una fuente debe tomar la tensión continua de la salida, compararla con un referencia estable (un zener por lo general) y modificar el período de actividad en función del resultado de la comparación: * Si la tensión es alta, debe reducir el periodo de actividad. * Si es baja debe aumentarlo. Toda esta operación se debe realizar manteniendo aisladas las masas de la salida y de la entrada, es decir con buena aislación galvánica. En nuestra fuente experimental, figura 5, conectamos tanto el secundario como el primario a la misma masa para no tener problemas con el retorno de los instrumentos. En la realidad, basta con que el bobinado de realimentación tenga una masa aislada para conectarla a la masa del primario; el secundario de salida tendrá su propia masa aislada del primario y del bobinado de realimentación. Así nuestro dispositivo fuente tendrá
Figura 4 - El comienzo de las oscilaciones.
Service de Equipos Electrónicos
37
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 38
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
Figura 5 - Fuente con regulador. aislación galvánica permitiendo, por ejemplo, el uso de conectores de audio y video en un TV. En la vida real, la aislación de la medición de tensión se consigue con un acoplamiento por optoacoplador desde la tensión de salida a la etapa de control. Como el Multisim con el cual fue diseñada originalmente la fuente educacional, no tiene en su librería un optoacoplador, utilizamos
una fuente de corriente controlada por tensión con la cual se puede construir un optoacoplador virtual. Un optoacoplador es una combinación de un Led infrarrojo como entrada y un optotransistor como salida. El optotransistor no deja de ser un transistor y por lo tanto se puede reemplazar con una fuente de corriente. En el control de la misma utilizamos un resistor que representa el
Figura 6 - Oscilogramas comparados del colector de Q3 y Q1.
38
Service de Equipos Electrónicos
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 39
d istintos t ipos
de
F uentes C onmutadas
consumo del Led. En la figura 5 se puede observar nuestra fuente completa con optoacoplador simulado y realimentación positiva sobre el transistor llave. Póngala a funcionar y observará que en 1,5mS regulará en 112 V. Para que el transistor de control Q3 conduzca, se debe cumplir dos condiciones como en cualquier transistor NPN, por un lado la base debe tener alguna corriente en directa y el colector debe ser positivo con respecto al emisor. La tensión de colector está derivada en parte desde el bobinado de realimentación y en parte desde la fuente primaria. Un oscilograma sobre el colector de Q3, tomando como referencia el colector del transistor llave Q1, nos permite observar que el resistor R10 conforma una onda cuasi diente de sierra sobre R11 + C7. Nota: observe que el eje cero del oscilograma superior de la figura 6 fue corrido dos divisiones hacia arriba de modo que solo una parte del diente de sierra tiene potencial positivo.
En la figura 7 se puede observar el mismo oscilograma, pero con una base de tiempo mas rápida para observar el fenómeno del arranque de la fuente. En el arranque, el colector de Q3 tiene una tensión positiva adecuada para conducir, pero no lo hace porque no tiene corriente de base aportada por el optoacoplador. Un poco después (donde ubicamos el cursor 1) la tensión de la salida supera los 112V y el transistor Q3 conduce acortado el periodo de actividad y reduciendo de ese modo la carga del capacitor de salida C1. Posteriormente se observa que todos los ciclos tienen sólo un pequeño sector positivo, ya que la frecuencia aumentó bruscamente, con lo cual se corrige indirectamente el período de actividad.
La condición de tensión positiva sobre el colector sólo se cumple al final del diente de sierra. Si en ese momento la tensión de salida supera los 112V del diodo zener, el optoacoplador simulado genera corriente por la base y el transistor Q3 conduce levantando la tensión de emisor. Cuando la tensión de emisor de Q3 aumenta, conduce el transistor driver Q2 y cortocircuita la juntura base emisor del transistor llave, adelantando el final de la conducción.
Nuestra fuente corrige la tensión de salida, pero no se puede esperar que esa corrección sea infinitamente grande. Es decir, que si aumento la carga, la tensión se debe reducir aunque sea levemente. En principio debemos establecer con exactitud la corriente de carga máxima y mínima así como la tensión de entrada máxima y mínima. Si se trata de un TV de 20”, por ejemplo, podemos considerar que consumirá entre 0,5 y 1A. En cuanto a la tensión de entrada, deberíamos admi-
mEDICIOnEs DE rEgulACIón rEPArACIón
E InDICACIOnEs DE
Figura 7 - Oscilogramas comparados del colector de Q3 y Q1 con una base de tiempo más rápida.
Service de Equipos Electrónicos
39
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 40
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
tir entre 200 y 350 V salvo que sea un modelo para 220/110 automático en donde debería regular entre 120 y 350V (en general, esto se consigue con fuentes mas elaboradas que usan circuitos integrados). La medición a la tensión de entrada mínima y la carga máxima, nos da un valor de 108V que pasada a valores porcentuales indica que la fuente cayó un 4% aproximadamente. En cuanto a la medición a la máxima tensión de entrada, con la mínima carga nos encontramos con un valor de 115V, es decir de aproximadamente un 3%. Tan importante como la tensión de salida, es el valor de la frecuencia máxima a la cual se llega en el segundo caso, ya que un valor demasiado alto puede provocar elevadas perdidas en el núcleo del transformador, o en el dispositivo usado como llave. ¿Es importante el tema de la regulación en el trabajo de reparación, o sólo es un concepto teórico útil para el ingeniero que diseña la TV? Es sumamente útil, en efecto, muchas TVs funcionan correctamente con la tensión nominal de red, pero en cuanto la misma sube unos pocos volts, la fuente deja de regular y aplica una tensión elevada al equipo pudiendo dañar componentes muy caros o importantes. El caso contrario es también muy común. En cuanto la tensión de red baja unos pocos volts, las fuentes defectuosas dejan de funcionar y la TV se apaga. Por esa razón es que Ud. no debe dar por reparada una fuente hasta haberle medido la regulación y mucho menos utilizar el propio equipo como carga de la fuente. En efecto esa es la mejor manera de buscar problemas. En principio Ud. no puede estar seguro del funcionamiento de un equipo cuando haya encontrado que la fuente necesitaba una reparación. La fuente se puede dañar por sí sola, pero también es muy probable que se halla dañado por una falla en el resto del equipo (por ejemplo un cortocircuito o un exceso de consumo). La tarea primordial del reparador es aislar las etapas defectuosas. Si luego puede llegar a encontrar el componente específicamente dañado puede considerar que obtuvo un éxito rotundo en su trabajo. Pero si sólo puede llegar a varios sospechosos de poco precio, no debe dudar en cambiarlos a todos. Luego, si siente curiosidad, podrá medirlos y determinar cual es el verdadero culpable de la falla.
40
Service de Equipos Electrónicos
ClAsIFICACIón DE lAs FuEntEs COnmutADAs Las fuentes deben estudiarse ordenadamente para que no ocurra que estudiamos dos veces un circuito muy similar. Por eso lo mejor es realizar un ordenamiento en función del tipo de circuito. Vamos a ordenar las fuentes en cuatro grandes grupos en función de cómo se transmite la energía desde el circuito primario al secundario. A todos los efectos vamos a considerar que nuestro circuito primario es el directamente conectado a la red y que termina en el capacitor electrolítico principal que se carga al valor de pico de la red o a valores algo menores.
FuEntEs DE trAnsFErEnCIA DIrECtA El circuito secundario es aquel que entrega la tensión a la/las carga/cargas. La energía puede ser transferida en forma directa. De la red a la carga dando lugar a las “Fuentes de Transferencia Directa” cuyo esquema podemos observar en la figura 8. Si tiristor D1 se dispara con el pico de la tensión de red, tenemos el caso más elemental en donde el tiristor podría reemplazarse por un diodo rectificador común. En este caso la tensión de salida no puede ser elegida ni regulada. Estas fuentes rectifican aproximadamente 155V en lugares donde la red de canalización es de 110V y 310V en lugares donde la red es de 220V. Evidentemente estas fuentes no son aisladas y esa característica hace que se las utilice muy poco en la actualidad en donde todos las TVs tienen entrada de audio y video. Si D1 se dispara después de llegar al pico máximo positivo el capacitor C1 se cargará a un valor que depende del punto de disparo y es así como estas fuentes regulan y reducen tensión.
Figura 8 - Fuente de transferencia directa.
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 41
d istintos t ipos Todo depende del bloque que llamamos de control y del encendido preciso del tiristor. Si bien estas fuentes perdieron actualidad las mencionamos porque en ellas se basa el funcionamiento de lo que llamamos el variac electrónico. Para probar fuentes hace falta tener un autotransformador regulable o variac pero como es un dispositivo caro se lo reemplaza con una fuente a tiristor y un circuito de control que se explica en la sección de instrumental especial entregada por separado. Este circuito es en el fondo una Fuente de Transferencia Directa y es útil estudiarlo. Para entender porque a las fuentes de transferencia directa se las llama así, debemos analizar primero las “Fuentes de Transferencia Indirecta” que forman la segunda clasificación de fuentes conmutadas y por mucho la mas común en la actualidad.
FuEntEs DE trAnsFErEnCIA InDIrECtA Las Fuentes de Transferencia Indirecta son las que suelen estudiarse como ejemplo de fuentes conmutadas. Nosotros sabemos que esa fuente tiene un modo muy particular de trabajar que podemos dividir en dos tiempos. En el primer tiempo acumulan energía en el trasformador de
de
F uentes C onmutadas
pulsos y en el segundo la transfieren a la carga. Pueden tener un tercer tiempo en donde el núcleo del transformador ya descargó toda su energía y aun no se cerró el transistor para un nuevo ciclo. En la figura 9 se puede observar el esquema más elemental de las Fuentes Conmutadas de Transferencia Indirecta. En el primer tiempo se carga el núcleo del transformador con la energía de la red que circula por la llave J1 (acumulación de energía magnética). En el momento adecuado, se abre la llave y la energía acumulada se transfiere al capacitor C1 por intermedio del diodo D1. Observe entonces la diferencia entre las dos fuente clasificadas hasta ahora. En la Fuente de Transferencia Directa la energía de la red se toma y se consume al mismo tiempo. En el resto del tiempo la llave (tiristor) está abierta. En las de transferencia indirecta en el primer tiempo se acumula y en el segundo se transfiere.
FuEntEs DE trAnsFErEnCIA COmbInADA
Existe un tercer grupo de fuentes que se ubican como fuentes de transferencia combinada en donde se agrega un componente llamado diodo recuperador de fuente y cuyo circuito se puede observar en la figura 10. En su debido momento se estudiaran estas fuentes en profundidad pero aquí adelantamos que deben su nombre a que en un primer tiempo transfieren energía de la red al inductor L1 al mismo tiempo que transfieren energía al capacitor C1 y de allí a la carga. En el segundo tiempo solo transfieren energía del inductor al capacitor C1. Por ultimo existen las que el autor Figura 9 - Fuente de transferencia indirecta. considera como circuitos de fuentes especiales. Un ejemplo muy específico son las fuentes que combinan la función de fuente de alimentación con la función de etapa de salida horizontal de un TV. Estas fuentes también son denominadas “Fuente – Horizontal con un solo Transistor” y en realidad fue una experiencia frustrante para los ingenieros que las utilizaron debido Figura 10 - Fuente de transferencia combinada. a la dificultad que existe para aislar
Service de Equipos Electrónicos
41
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 42
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
Tabla 1 - Clasificación de las fuentes. una falla como de horizontal o de fuente. En la tabla 1 ubicamos a estas diferentes fuentes en forma de 4 grupos. El tema de la clasificación de fuentes no termina aquí. Lo volveremos a tratar ya que cada grupo admite a su vez varias subdivisiones más que extienden los diferentes grupos.
tEOríA DEl FunCIOnAmIEntO DE lAs FuEntEs DE trAnsFErEnCIA InDIrECtA
Esto modifica la disposición del primario sin cambiar el circuito en sí. Observe en la figura 12 que en serie con la llave S1 se coloca un resistor de pequeño valor (R1 de 1 mOhm). Este resistor no tiene una función específica en el circuito, es decir que su ausencia no modifica el funcionamiento. Se lo agrega para medir sobre él una tensión que nos permita conocer la corriente del circuito primario. Más adelante estudiaremos que dicho resistor puede existir en la realidad relacionado con el circuito de protección de sobrecorriente. El trasformador T1 tiene un punto en la parte superior de sus dos bobinados que indica el comienzo o el final de los bobinados. Esto significa que para que el circuito trabaje en contrafase (cuando circula corriente por el primario no circula por el secundario) se debe conectar el diodo auxiliar en el terminal inferior del secundario porque al cerrarse la llave se coloca el positivo de la fuente en la parte superior del primario y en ese momento el terminal homónimo del secundario es negativo. Con todo esto podemos analizar los oscilogramas del circuito que son significativos por si mismo.
Volvamos al circuito de la figura 8, ¿cómo son las formas de onda correspondiente a este circuito? Las ecuaciones magnéticas y eléctricas permiten analizarlo con una gran sencillez si consideramos que los dos tiempos básicos siempre se amplían a 3 tiempos en los casos prácticos. Esta división en tres tiempos nos permiten analizarla matemáticamente en forma sencilla. En la figura 11 se observa un circuito simulado en donde se utiliza en forma genérica una llave J1. Esta llave es una llave controlada por tensión que representa tanto a un transistor bipolar como a un MOSFET. El circuito básico es siempre el mismo; pero cuando se utilizan componentes reales es conveniente ubicar al dispositivo llave en otra posición equivalente por razones de excitación. En efecto tanto en un caso como en otro es conveniente que el terminal de emisor (o el terminal de fuente en un MOSFET) estén conectados a la masa caliente. Figura 11 - Fuente de transferencia indirecta.
42
Service de Equipos Electrónicos
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 43
d istintos t ipos
de
F uentes C onmutadas
tender que conduzca en forma instantánea; por otro lado el transformador tiene cierta parte del campo magnético primario que no pasa por adentro del secundario (inductancia de dispersión) y por lo tanto no importa que el diodo se cierre instantáneamente porque ese cierre no se refleja en el primario. Esto significa que en la tensión de primario (en rojo) se produce un sobrepulso peligroso Figura 12 - Disposición más adecuada para la excitación. que se observa En la parte superior de la figura 13 está repre- sobrepasando la pantalla del osciloscopio. Note sentada la corriente por la llave. Observe que al que la tensión sobre la llave se desplazó hacia cerrarse la llave la corriente comienza a crecer abajo para poder observarla sin inconvenientes. linealmente, hasta que llegado un determinado Anteriormente dijimos que se podían enconinstante de tiempo, la llave se abre de modo que trar 3 puntos importantes en los oscilogramas del la corriente de primario se corta. circuito. Al tiempo T1 se cierra la llave y comienEn ese momento debería conducir instantá- za a crecer la corriente de primario en verde. Al neamente el diodo auxiliar, pero no se puede pre- mismo tiempo se observa que la tensión sobre la
Figura 13 - Oscilogramas de la fuente de transferencia indirecta.
Service de Equipos Electrónicos
43
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 44
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
llave se hace igual a cero siendo este uno de los puntos importantes de la tensión del primario. En el instante de tiempo T2 la llave se abre dando lugar al corte a cero de la corriente de primario y a la generación del pulso ascendente casi infinito de la tensión sobre el mismo. En cuanto la inductancia de dispersión se queda sin energía y el diodo auxiliar conduce la tensión se reduce inmediatamente y podemos decir que la tensión sobre el secundario será igual a la tensión sobre el capacitor C1 (si consideramos al diodo como ideal con barrera nula). Esa tensión puede transferirse al primario a través de la relación de transformación del transformador que en nuestro caso es igual a 2 (el total del secundario tiene la mitad de vueltas que el primario). La tensión máxima del primario se puede calcular en forma aproximada considerando que sobre el bobinado se obtiene una tensión igual a la del secundario (118V en nuestro caso) multiplicado por la relación de espiras (2 en nuestro caso) que hace una tensión de 236V. Esta tensión se suma a la tensión de fuente con lo que se obtiene una tensión de 236V + 155V = 391V aproximadamente en nuestro caso. El tercer instante de tiempo que debemos considerar, es el momento en que se agota la energía acumulada en el transformador. En efecto esto puede ocurrir antes que vuelva a conducir la llave. En ese instante no conduce ningún dispositivo. La llave todavía no se cerró y el diodo recuperador ya está abierto. En este instante la tensión del primario no se puede mantener en el valor calculado porque el diodo no conduce y comienza a descender. Este descenso encuentra como único componente activo la capacidad distribuida del bobinado primario y la del secundario reflejada al primario, por eso se produce una oscilación amortiguada hasta que la llave se vuelva a cerrar. La tensión media durante este tiempo, al no circular corriente por el inductor, debe ser igual a la tensión de la fuente original de 155V. Es decir que la oscilación amortiguada se realiza hacia arriba y hacia debajo de 155V.
blOquEs DE PrOtECCIón y COntrOl Los bloques básicos de una fuente deben completarse con los bloques de protección y control. Sin ellos la fuente no podría funcionar más que unos instantes; la mayor parte de las diferencias entre las fuentes se encuentran en estos
44
Service de Equipos Electrónicos
circuitos y por ello deben ser estudiado en profundidad. Otros de los inconvenientes con que se encuentra habitualmente un reparador es la falta de oscilogramas. Cualquier reparador con experiencia sabe que si tiene dos TVs iguales para reparar tiene un trabajo mucho menos complejo que si tiene que imaginarse las formas de onda y las tensiones continuas. Si se puede conseguir el manual de servicio y existe el oscilograma que necesitamos tenemos el problema resuelto, pero eso no siempre es posible. Desde aquí proponemos una solución diferente y muy moderna que estamos seguros que es la solución que van a adoptar todos los fabricantes en el futuro. El uso de los laboratorios virtuales. Si una fuente tiene su circuito simulado es como tener un TV melliza en la estantería que nos permite comparar oscilogramas, tensiones continuas y otras cosas. Inclusive podríamos decir que en cierto sentido es mejor porque en el laboratorio virtual podemos probar cosas que no se pueden probar en el caso real. El problema que suele presentarse para realizar las simulaciones es que los fabricantes de circuitos integrados específicos aun no entregan las simulaciones de los mismos y es muy improbable que existan en las librerías del laboratorio virtual. Pero si la fuente no utiliza integrados o tenemos el circuito interno de los mismos se los puede virtualizar aunque sea un esfuerzo muy grande.
CIrCuItOs DE AmOrtIguACIón (snubbEr CIrCuIt) El circuito básico puede completarse con el agregado de tres redes de snubber que mostraremos una a una. En la figura 14 agregamos la red más importante, la red de protección de sobretensión en la llave electrónica o red de snubber superior. Con el agregado de la red de snubber superior, los oscilogramas sobre la llave se modifican de modo tal que ya no existe el pico de sobre tensión que podría quemar la misma. Observe la figura 15 y 16 en donde se pueden apreciar los oscilogramas más importantes que son la tensión sobre la llave, la corriente por la llave, la corriente por el diodo auxiliar y la tensión del secundario. El primer oscilograma es la señal sobre la llave que utilizamos como referencia. Observe
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 45
d istintos t ipos
de
F uentes C onmutadas
Figura 14 - Red de protección por tensión sobre la llave electrónica. que cuando la llave está abierta la tensión es alta y del valor calculado en la entrega anterior de 356V. En cuanto a la corriente máxima se puede observar un valor de 1,5mV sobre un resistor de 1 mOhm es decir 1,5A. Observe que cuando se cierra la llave la corriente comienza a crecer lentamente y que crece a ritmo constante hasta el valor máximo. Este crecimiento ocurre a un ritmo que depende
del valor de la inductancia y de la frecuencia de trabajo de la fuente, como se aclarará posteriormente en la sección de cálculos. Cuando la corriente del primario decae a cero comienza a circular corriente por el secundario (fuente de trasferencia indirecta). Esta corriente comienza en un valor de 3A y decae lentamente hasta cero. En principio parecería que no se cumple la premisa fundamental de que los inductores
Figura 15 - Tensión sobre la llave y corriente por la llave.
Figura 16 - Corriente por el diodo auxiliar y tensión del secundario.
Service de Equipos Electrónicos
45
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 46
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
no permiten que la corriente cambie de golpe porque aquí hay un cambio de 1,5A a 3A pero esto tiene una explicación clara. En realidad lo que no puede cambiar de golpe es el campo magnético del núcleo. Si sólo tenemos un bobinado esto es equivalente a que no se produce un cambio brusco de corriente por el mismo, pero en nuestro caso existen dos bobinados, que además no tienen la misma cantidad de vueltas. En efecto el transformador que estamos utilizando tiene una relación de transformación 2:1 y esto significa que en el secundario deben circular 3A para generar un campo magnético idéntico al que se generaría con una corriente de 1,5A circulando por el primario. Esto también se podría explicar reflejando la corriente del secundario al primario a través de la relación de transformación como Ip = Is/2 en donde podríamos observar que los 3A del secundario equivalen a una corriente de 1,5A por el primario. Otros detalles a observar son la tensión de secundario que debe tener un valor pico a pico igual a la de primario dividido en dos, dada la relación de transformación. En el primario la tensión máxima es como dijimos de 356V y la mínima de cero. En el secundario tenemos una tensión 96,8V y –76V lo cual hace una tensión pico a pico de 172,8V que multiplicada por 2 (la relación de transformación) genera una tensión de 346V aproximadamente igual a la de primario.
¿Cuál es la conclusión práctica, para el reparador, que se puede sacar de esta sección? Que la red de snubber superior es fundamental para la vida de la llave, cualquiera que sea ésta. Si su llave se quema misteriosamente al encender la fuente con la tensión de trabajo de entrada controle con el multímetro el diodo de protección el resistor y el capacitor de la red de protección correspondiente. También puede arrancar la fuente con muy baja tensión utilizando un EVARIAC y controlar el oscilograma sobre la llave; si aparece un pulso finito y alto no siga aumentando la tensión, simplemente la red de snubber no funciona. Si no tiene osciloscopio utilice el circuito detector serie que utiliza para probar el pulso de retrasado horizontal. La siguiente red de snubber que estudiaremos es la inferior, figura 17, que se ubica directamente sobre la llave y que suele tener un capacitor de pequeño valor del orden de los 300pF en lugar del de 10nF que se utiliza en la red superior. La acción de esta red es suprimir las oscilaciones amortiguadas que se producen cuando se agota la energía acumulada en el campo magnético. Observe que la corriente del secundario comienza en 3A y se reduce con un ritmo determinado por el valor de inductancia del secundario (en nuestro caso como el transformador divide por dos tiene la mitad de vueltas que el primario y cuatro veces menos de inductancia). Si el valor
Figura 17 - Red de snubber inferior.
46
Service de Equipos Electrónicos
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 47
d istintos t ipos
Figura 18 - Oscilación amortiguada del primario. de corriente llega a cero antes que vuelva a cerrarse la llave existe un intervalo de tiempo en donde la llave quedará abierta y no hay energía acumulada que mantenga al diodo del secundario conduciendo. En ese caso, la energía acumulada en la capacidad distribuida de los bobinados (que se trata de reducir al mínimo valor posible al construirlo) solo puede descargarse sobre la inductancia de magnetización (L del primario con el secundario abierto) del transformador. La pregunta que Ud. se debe estar haciendo es por qué analizamos esta red sólo ahora que se
de
F uentes C onmutadas
acabó la energía acumulada en la inductancia secundaria del transformador. Cuando la tensión sobre la llave estaba en el máximo, el capacitor C3 se carga a plena tensión porque D3 conduce. Esta acción prácticamente no se nota porque C3 de 220pF queda conectado en paralelo con C2 de 10nF en paralelo para la CA. Pero cuando termina el segundo tiempo la tensión de la llave cae y D3 se abre quedando R5 conectado en serie con C3 conectado sobre la llave. Esta capacidad C3 es mucho mayor que la capacidad distribuida y se produce una oscilación de tan baja frecuencia que el tercer tiempo es mucho menor que el período de la oscilación. Además se trata de una oscilación mucho mas amortiguada por la presencia de R5. En la figura 18 se puede observar el efecto de atenuar la oscilación amortiguada del primario con su capacidad distribuida por intermedio de una red RCD. Observe que ahora la tensión de la llave no cae en forma oscilatoria sino que lo hace en forma abrupta hasta el único valor posible si los componentes reactivos están descargados es decir hasta la tensión de fuente y se mantiene allí hasta que la llave se vuelva a cerrar. La reducción de la oscilación se traduce en un aumento de la eficiencia del sistema. Por último, nos queda analizar una red RC montada sobre el diodo auxiliar. Esta red tiene un doble efecto:
Figura 19 - Circuito completo con la tercera red de snubber.
Service de Equipos Electrónicos
47
Cap 3 - Tipos de Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 16/01/14 17:08 Página 48
L a B iBLia
de
L as F uentes C onmutadas
* Evita la destrucción del diodo por las tensiones de pico que se generan sobre él al conectarle bruscamente una corriente importante. * Evita irradiaciones espurias cuyas armónicas superiores puedan ser captadas por el sintonizador del equipo. El resistor de 10 Ohm limita la corriente inicial de carga a valores perfectamente adecuados para el diodo rápido. El capacitor cierra el circuito a una longitud muy corta para los armónicos superiores. En la figura 20 se pueden observar los oscilogramas correspondientes de tensión y corriente sobre el secundario. Con este tema terminamos la primera parte teórica de fuentes conmutadas. Hasta aquí podemos asegurar que el lector ya tiene los conocimientos necesarios para encarar la reparación de cualquier fuente pulsada del tipo que fuere. Más adelante vamos a seguir tratando otros temas
48
Service de Equipos Electrónicos
Figura 20 - Tensión y corriente sobre el secundario. teóricos como la clasificación de las fuentes y las redes de snubber para recién comenzar a analizar las diferentes fuentes existentes en el universo de la electrónica. La reparación de fuentes conmutadas requiere un análisis cuidadoso de todas y cada una de las diferentes fuentes existente en este momento o utilizadas en el pasado. En efecto, al taller de reparaciones no llegan sólo las fuentes de última generación. Un taller es como un museo en donde se pueden observar los últimos 25 años de la industria electrónica. Pero a diferencia del museo, todos esos dispositivos electrónicos deben volver a funcionar y en perfectas condiciones, porque para su dueño, es el dispositivo que lo entretiene diariamente y él no sabe de dificultades técnicas, falta de repuestos, poca información, etc. Él espera que nosotros reparemos su equipo y lo hagamos económicamente y sin demoras. También clasificamos las fuentes según sus diferentes modos de transferir la energía en cuatro grandes grupos. Tenga en cuenta que Ud. puede descargar un disco compacto desde Internet con todo el libro de texto al que pertenece este escrito, más los archivos gráficos, otros textos sobre funcionamiento y reparación de fuentes conmutadas, videos explicativos, programas para facilitar la comprensión y guías de fallas y soluciones en equipos electrónicos. Para efectuar la descarga, con su navegador vaya a nuestra web: www.webelectronica.com.mx, haga clic en el ícono password e ingres la clave: fuentes106. J
