CURSO DE FUENTES CONMUTADAS

CURSO DE FUENTES CONMUTADAS - LECCION 1
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE FUNCIONAMIENTO

Con este artículo comenzamos un nuevo curso que Saber Electrónica pone al alcance de los lectores. Estamos seguros que el tema, de enorme actualidad, será muy bien recibido por todos y que pronto se transformará en un auténtico "best seller", tal como ocurriera con el curso de monitores. En esta nota realizaremos una reseña histórica de las fuentes conmutadas y sobre todo repasaremos los principios de funcionamiento y las leyes que rigen a los inductores y que tanto vamos a utilizar más adelante para poder conocer las fuentes de los equipos electrónicos de consumo.

INTRODUCCION

¿Qué etapa de un TV o de un vídeo, lidera el campeonato de fallas?
La fuente de alimentación pulsada.

¿Qué etapa es infaltable en todos los equipos de electrónica de entretenimien-to?
La fuente de alimentación pulsada.

¿Cuál es la etapa que más cambios y adelantos adoptó durante los últimos 10 años?
La fuente de alimentación pulsada.

¿Qué etapa de un TV fue menos tratada en forma teórica y práctica por los autores?
La fuente de alimentación pulsada.

Siempre la fuente...

A no dudarlo, la fuente de alimentación de un equipo moderno es el “Talón de Aquiles” de los técnicos electrónicos. La razón es que esa etapa es siempre del tipo pulsada o conmutada para abaratar costos y que por fuerza, en ella se desarrollan las máximas potencias eléctricas del equipo. Y donde hay potencia eléctrica hay calor y donde hay calor puede haber fuego, si no trabajamos con todos nuestros conocimientos y si no empleamos los adecuados dispositivos de carga y aislación.

En la jerga se dice: “La fuente no te perdona” como queriendo decir que en otras etapas se puede trabajar por tanteo (mis alumnos saben que a esa forma de trabajar la llamo “el método del indio Tocapotee” y es muy empleada en la actualidad por una gran legión de técnicos improvisados, aparecidos de la nada, en estas épocas de elevado índice de desempleo). Ahora bien, si uno está trabajando en la etapa de FI puede cambiar materiales aleatoriamente y probar sin mayor peligro. Pero si cambia materiales de la fuente de alimentación y prueba; lo más probable es que el material se queme y peor aún pueden quemarse todos y cada uno de los circuitos integrados del TV (si por ejemplo la fuente arranca sin regulación).

Si no sabe arreglar una fuente conmutada, si no tiene un adecuado método de prueba, o no posee los instrumentos necesarios para realizarla, absténgase de repararla, porque un TV de última generación sale muy caro y en los tiempos que corren los clientes no abundan y son todos muy nerviosos.

Un “Banco de prueba de fuentes”, eso es lo que Ud. necesita para no arriesgar su vida y la de sus TVs.

En esta serie de artículos va a aprender a construir un banco de prueba con sus propias manos gracias a la amabilidad de APAE (Asociación de Profesionales y Amigos de la Electrónica) que gentilmente se prestó a divulgar un diseño, que demostró sus bondades durante muchos años de trabajo en los laboratorios de sus socios.

Actualmente, cuando se acerca un cliente a un negocio de electrónica, en lugar de saludar esgrime el siguiente latiguillo: quiero un presupuesto exacto, porque si me sale caro no lo arreglo porque estoy muy mal económicamente. En estos casos por lo general tragamos saliva y pensamos:

¿Cómo le digo a este buen hombre que si yo hago un presupuesto exacto ya realicé el 90% del trabajo porque sólo me queda cambiar el/los componentes dañados?

Tengo que decirle que sí, que con mucho gusto voy a hacer un presupuesto exacto, gratuito y urgente, porque el cliente siempre tiene razón y si me contrata para hacerle un servicio a cambio de dinero, él puede poner las reglas de la contratación hasta cierto punto.

En una palabra, que hay que disponerse a realizar un presupuesto exacto (y además gratuito).

¿Cómo reemplazo la fuente de alimentación para saber si el resto del equipo funciona o fue arrastrado a una muerte precoz por la falla de la fuente?

En estos tiempos es muy común encontrarse con equipos que ya fueron intentados reparar por otros técnicos (y por otros no técnicos, incluido el propio usuario).

La respuesta es que hay que poseer una fuente de potencia, que se arma con un Variac, un puente de diodos y un electrolítico. Ahora que si Ud. no tiene un Variac o no quiere gastar 90 dólares en uno, puede hacer una fuente del tipo variac electrónico que ya fue publicada en nuestra revista (vea saber 201) y que nosotros aplicaremos constantemente en\ este curso. Para evitar sorpresas le decimos aquí que para reparar TVs incluyendo la fuente pulsada, Ud. Debe\ tener una fuente Variac electrónico, un téster digital y un téster analógico sí o sí, no hay alternativa. Si tiene osciloscopio, será de gran ayuda, pero en todo el curso vamos a tratar de evitar su uso como elemento imprescindible.

Creemos que todas estas ventajas merecen que Ud. coleccione esta serie de artículos y el libro que saldrá al finalizar el curso y que completa magistralmente el tema. Créame que ambas cosas se van a pagar con creces. Esta serie lo va acompañar a lo largo de todo el presente año y se completará el año próximo y está organizada del siguiente modo: primero se verán los principios fundamentales y una reseña histórica cortita porque la intención es entrar en tema rápidamente. Luego se indicará cómo realizar el banco de prueba y las fuentes de alta (con el Variac o el circuito electrónico) y una fuente regulada de 0 - 30V, cuya construcción le indicaremos paso a paso. Luego se indicarán los diferentes tipos teóricos de fuentes pulsadas y a continuación se comenzarán a analizar las fuentes más comunes de los TVs de plaza, generando un método de trabajo preciso y seguro, que permita realizar un presupuesto exacto.

Nuestro curso tiene una novedad aún mayor, que seguramente lo dejará sorprendido; algunos de los circuitos que en él se muestran no son simples impresiones en tinta. Estarán dibujados en un laboratorio virtual Workbench y/o Livewire y podrán ser simulados en su computadora sin gasto alguno, si Ud. posee estos simuladores, ya que los archivos se podrán bajar desde la página de nuestra revista. Si Ud. tiene un Workbench 5.1 o 6.1 (Multisim) o un LiveWire puede entrar nuestra página web: www.webelectronica.com.ar y con las claves que le daremos tomar los archivos *.ewb, msm, o .lvw y correrlos en su simulador para desplegar un circuito “vivo” al cual le podrá realizar todos los cambios deseados para analizar su comportamiento.

En el momento actual las fuentes son tan complicadas que muchas veces debemos recurrir a aplicar un método para repararlas. En este curso Ud. aprenderá a generar métodos seguros de reparación. Pero existe una ayuda invalorable en una asociación de técnicos Argentinos que se llama APAE y que está volcada en más de 200 boletines técnicos conteniendo información sobre todo tipo de fallas de TV y otros dispositivos. El contenido de esos boletines se puede consultar gratuitamente bajando un archivo de Excel desde la red. En este curso vamos a indicarle cómo consultar ese archivo para encontrar información relacionada con su problema específico de fuente. Le avisamos que los boletines tienen un costo mínimo y pueden ser adquiridos en las dos sedes de APAE y en negocios del gremio.

Como valor agregado a este curso, prácticamente todas las entregas tienen un corto apéndice donde se explican los más importantes conceptos teóricos necesarios para entender facilmente nuestro curso de fuentes pulsadas. Es el lector quien debe decidir si tiene ese concepto bien sólido o si debe repasarlo muy rápidamente leyendo el apéndice.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Me gustaría saber quién fue el científico que recibió la primer descarga inductiva sobre su humanidad, porque seguramente él fue el inventor de la fuente conmutada. En efecto, cualquier estudiante curioso que esté trabajando con inductores y baterías de baja tensión, va a terminar generando alguna descarga sobre su cuerpo. Todos saben que las baterías de baja tensión no producen descargas peligrosas, por eso es común manipularlas sin precaución. Pero si su circuito tiene algún inductor, debe tener cuidado porque teóricamente no existe un límite a la tensión que se pueda generar. Los 12V de la batería se pueden transformar en miles de voltios si se utiliza un inductor adecuado.

En este curso suponemos que Ud. tiene un conocimiento general sobre el uso del laboratorio virtual que utiliza normalmente. Por lo tanto sólo le indicaremos los detalles importante en cada caso. Si no posee este conocimiento, lo invitamos a adquirir algún libro o CD de nuestra editorial en donde se explica su funcionamiento. Dada la gran similitud que existe entre el EWB (Electronic Workbench), el Multisim o el LW (LiveWire) sólo le daremos indicaciones para uno de ellos y realizaremos un comentario sobre las variantes necesarias para usar los otros laboratorios virtuales.

Para empezar, vamos a armar un pequeño circuito como el que mostramos en la figura 1 en Multisim y en la figura 2 en LW para aprender los principios fundamentales de la fuentes pulsadas.

Nota para usuarios de LW: En el LW la llave pulsador SW1 no es tan real como en el Multisim. Para que la simulación sea más real se debe agregar un capacitor de 10pF sobre la llave, como se puede observar en la figura 2. Además se debe ajustar el tiempo de simulación haciendo clic en la solapa tool > simulation > timing control y ajustar allí la ventana "time base" en 1µsS. Luego se deben ajustar los ejes del gráfico a + - 1kV y a 120µS. Por último, la llave “pulsador” debe predisponerse para ser operada con la tecla A aunque también puede operarse con el Mouse haciendo click sobre ella.

Observe que sólo tenemos cuatro componentes: una batería de 12V, una llave controlada por la barra espaciadora del teclado, un inductor de 1mHy. Además, tenemos conectado un osciloscopio sobre la llave. Por defecto, el osciloscopio está ajustado con una base de tiempo de 0,5S/div es decir que para recorrer toda la pantalla de izquierda a derecha demora 5S. La escala vertical del osciloscopio la predisponemos en la menor sensibilidad posible, que es de5kV/div. En esas condiciones encendemos la mesa de trabajo con la llave basculante de arriba a la derecha y el experimento se pone en marcha. Observe que el haz del osciloscopio demorará 5 segundos en llegar a la derecha de la pantalla (de acuerdo a la computadora que está usando) el tiempo real puede coincidir con el indicado en el reloj del experimento que se observa en la parte inferior a la izquierda de la pantalla del WB.

Si el circuito es más complicado, el programa tarda más en realizar los cálculos y la graficación. Entonces el reloj del experimento avanzará más lentamente, de modo que para graficar un segundo de la experiencia virtual se pueden tardar 10, 20 o más segundos reales.

Cierre la llave con la barra espaciadora durante un segundo y vuelva a abrirla. (Nota: si la llave no opera, lleve el puntero del mouse a la mesa de trabajo y pique con el botón de la izquierda, allí comenzará a operar la llave; lo que ocurrió es que el control seguramente se encontraba activo sobre el osciloscopio. Observe que cada vez que abre la llave, luego de dejarla cerrada por 1 segundo aproximadamente, se produce en la pantalla del osciloscopio un pulso de unos 3kV positivos seguido por otro de 3kV negativos.

Este es un fenómeno inesperado pero explicable. Ocurre que un inductor es un componente reactivo del tipo de los capacitores, y un componente reactivo acumula e intercambia energía. El capacitor guarda esa energía en forma de energía eléctrica y el inductor en forma de energía magnética. La energía puede ser acumulada lentamente y luego ser extraída a una gran velocidad o viceversa. De acuerdo al circuito esto puede producir sobretensiones o tensiones reducidas que resulten interesantes para el diseño de fuentes pulsadas. Observe el lector que las tensiones se consiguen como efecto de transferencias de energías y no como disipaciones en resistores. En el primer caso, si trabajamos con componentes reactivos puros (capacitares e inductores ideales) las transformaciones se realizan con un elevado rendimiento. En el segundo caso, dada la generación de calor, la transformación se realiza con un pésimo rendimiento y sólo pueden ser realizadas en sentido descendentes de las tensiones (si a una fuente de 12V se le conecta un divisor resistivo sólo se puede esperar que la tensión baje).

Analicemos el caso de nuestro sencillo circuito. Cuando la llave se cierra, comienza a circular corriente por el inductor.

¿Qué valor tendrá esa corriente inicial?
Sin ninguna duda debe comenzar con un valor nulo que se va incrementando poco a poco.

La razón es muy simple: un capacitor se opone a los cambios de tensión sobre sus placas. Si está cargado con 100V y lo quiero descargar con un resistor observaremos que la tensión sólo cambia gradualmente. Al mismo tiempo puedo observar que si no conecto ningun resistor sobre él; es capaz de mantenerse cargado por un largo periodo de tiempo lo cual significa que su resistencia de aislamiento es muy alta (tenga en cuenta que un capacitor real es muy parecido a uno ideal). Como una importante conclusión podemos decir que un capacitor se opone a los cambios de tensión.

El inductor es casi como la contrapartida del capacitor. Se opone a los cambios de corriente y lo hace de la única manera posible; generando fuerzas contraelectromotrices, es decir que genera una tensión que a su vez genera una corriente que se opone al cambio de la corriente original.

Llegado a este punto el lector estará pensando que recuerda muchas manifestaciones de la vida diaria del capacitor como acumulador de energía, pero no recuerda ni una sola del inductor. Por ejemplo, muchas veces recibió una descarga por andar manipulando algún capacitor que había quedado cargado desde mucho tiempo atrás. Pero no recuerda que algún inductor le haya producido ningún efecto por alguna carga recibida con anterioridad. Por lo tanto parece que los inductores no son capaces de acumular energía.

Desde luego que no es así. Hay dos hechos que nos hacen equivocar escandalosamente: A) un inductor real tienen elevadas perdidas, por lo que se descarga muy rápidamente y B) para que mantengan acumulada la energía magnética se los debe poner en cortocircuito y no en circuito abierto como es el caso del inductor.

Como vemos, el inductor y el capacitor son antagónicos en todo. El capacitor necesita que las cargas acumuladas estén quietas en el dieléctrico y por eso se lo mantiene abierto. En cambio el inductor necesita que las cargas circulen para producir un campo magnético y por eso se lo debe mantener en cortocircuito.

Volvamos a nuestro experimento virtual para afianzar el conocimiento adquirido. Qué le parece que puede ocurrir, si en lugar de mantener la llave cerrada por un tiempo de 1 segundo la mantenemos cerrada por 10 segundos. La respuesta es evidente y se confirma en la práctica. Generan una mayor tensión que ahora puede llegar a los 10kV o más (figura 3).

¿Por qué razón la sobretensión generada depende del tiempo en que la llave está cerrada?
Es así porque la corriente se establece lentamente y el campo magnético acumulado depende de la corriente circulante. Así se produce algo similar a lo que ocurre con el capacitor, en donde la energía eléctrica acumulada depende de la tensión a la que fue cargado. Por lo tanto, si la llave sólo se cierra un tiempo mínimo, el campo magnético acumulado también será mínimo y la manifestación de este campo al abrir la llave, será prácticamente inexistente. El pequeño resistor de 1µ ohm en serie con el inductor nos permite observar el crecimiento de la corriente con el otro haz del osciloscopio. Vea la figura 4 en donde ambos oscilogramas están superpuestos.

Realice varias pruebas, anotando el valor de sobretensión y la corriente final, hasta que pueda comprobar que la sobretensión es proporcional a la corriente final. Del mismo modo, deberíamos encontrar una relación entre la inductancia y la sobretensión. Si realizamos otras mediciones con un valor de inductancia 10 veces menor se podrá observar que la sobretensión es proporcional al valor de la inductancia. Ya sabemos que la sobretensión es proporcional al valor de inductancia y a la corriente final. Nos queda por determinar qué ocurre si llegamos al mismo valor de corriente final cambiando el valor de la tensión de fuente en lugar de cambiar el tiempo en que la llave está cerrada. Cambie la tensión de fuente por un valor 10 veces menor y vuelvaa probar. Se observará que la sobretensión hace caso omiso a como se llegue al valor final de corriente, sólo dependerá de ese valor final.

Ahora conocemos el fenómeno y sabemos cómo variarlo, pero aún no explicamos cómo se produce esa sobretensión. Es muy simple y fácil de comprender. El inductor se opone a que cambie el valor de corriente circulante por el circuito. Mientras la llave está cerrada la corriente va creciendo, por ejemplo hasta llegar a 1A. Al abrir la llave se produce un cambio notable en la resistencia del circuito que pasa de unos pocos Ohm (en general la resistencia del bobinado) a un valor prácticamente infinito. En el circuito que utilizamos el inductor es ideal y no tiene resistencia. La única resistencia existente es la agregada de 1µ ohm evidentemente despreciable. El inductor, por lo tanto, trata de modificar la tensión para que siga circulando 1A y genera una sobretensión sobre la llave abierta, con el fin de que circule corriente por un circuito abierto. En la práctica se llega a generar tal tensión, que se produce un arco en la llave (observe cómo las leyes de la electrónica tratan de cumplirse aún en las peores condiciones y si no hay resistor donde hacer circular corriente, se lo crea haciendo saltar un arco en el aire).

Ahora vamos a cambiar los valores del circuito para obtener tensiones y corrientes más normales. Por ejemplo, es conveniente cambiar el valor de L por 1Hy y el de la resistencia en serie por 0,001 ohm. De este modo, si abrimos la llave cuando la tensión sobre el resistor en serie es de 1 mV podemos estar seguros de que la corriente de corte es de 1ª (vea la figura 5).

LA FORMA DE LA SEÑAL DE SOBRETENSION

Hasta ahora sólo observamos la sobretensión como un pulso sin detalles. Llegó la hora de expandir la escala horizontal del osciloscopio para observar cuál es la ley de variación de la tensión. En principio debe considerar que el osciloscopio de su WB tiene memoria, lo cual facilita las observaciones de nuestro fenómeno (se trata de un fenómeno que no es repetitivo). En efecto, si fuera repetitivo podríamos utilizar el sincronismo de la base de tiempo (que opera como el sincronismo de cualquier osciloscopio real) para detener las imágenes. Nosotros vamos a emplear el carácter de osciloscopio con memoria para detenerla. Simplemente termine la simulación con la llave general de la mesa, amplíe el osciloscopio y ubique el pulso de sobretensión sobre la pantalla con el cursor que se encuentra debajo de la misma (figura 6).

Es como si volviéramos el tiempo atrás y lo ubicáramos donde más nos interesa. Inclusive podemos variar las escalas para obtener imágenes ampliadas en el tiempo o con mayor sensibilidad vertical. Esto es lo que hicimos en la figura 7. Observe la forma de onda inferior (corriente). Vea que no tiene cambios bruscos; solo que cuando la llave se abre la corriente que estaba aumentando comienza a disminuir exponencialmente hasta hacerse nula. Para completar el ejercicio vamos a agregar un capacitor sobre la llave (figura 8).

Aquí tenemos un interesante efecto de transferencia de energía y disipación, que debemos analizar con todo detenimiento. En principio, éste, un circuito muy utilizado desde principios del siglo 20. Salvo por los valores de los componentes, se trata del circuito de encendido de un automóvil. Todo comienza cuando los platinos se cierran. Allí comienza a circular una corriente creciente. En ese momento el capacitor está en cortocircuito y por lo tanto descargado.

Cuando el platino se abre, el inductor tiene su máxima energía en forma de campo magnético. El inductor tiene dos componentes conectados sobre él; un resistor y un capacitor. En principio puede olvidarse del resistor, que analizaremos más tarde. El inductor debe mantener la corriente circulando y lo hace utilizando al capacitor. Cuando un capacitor es recorrido por una corriente, se carga. El resultado es que comienza a aparecer una tensión sobre el capacitor que se hace máxima cuando el inductor entregó toda la energía que tenía acumulada (la corriente es igual a cero y se puede decir que campo magnético y corriente son proporcionales). Allí no termina el fenómeno, ahora es el capacitor el que está plenamente cargado y por lo tanto lleno de energía. Esa tensión queda aplicada al inductor y por el comienza a circular una corriente en el sentido contrario al anterior. Si no existiera el resistor de 1kohm los intercambios de energía magnética (L) y eléctrica (C) se producirían sin pérdida y durarían una eternidad. Pero el resistor existe y en cada ciclo transforma energía en calor haciendo que los picos máximos sean cada vez más pequeños hasta llegar a cero. Esta señal tiene nombre, se llama oscilatoria amortiguada y es el intercambio de energías que sigue la ley más común de la física.

EL CONVERTIDOR DE TENSION DE LAS ANTIGUAS AUTORRADIOS

¿Dónde se utilizó el principio de las fuentes pulsadas por primera vez?
Fue en las radios para automóviles de los años 50 del siglo pasado. En efecto, el transistor no estaba difundido aún y las radios eran a válvulas. Requerían una tensión del orden de los 100V para el circuito de placa y en el automóvil sólo existían los 12V de la batería.

Suponemos que inspirado en el propio circuito de encendido del vehículo, a alguien se le ocurrió la idea de realizar un convertidor continua a continua. En principio se necesitaba una llave que interrumpiera la tensión continua de batería a una frecuencia considerablemente alta, luego esa corriente pulsátil se hacía pasar por un inductor para generar una sobretensión y por último, esa sobretensión se rectificaba de modo que cargara un capacitor electrolítico de alto valor (figura 9).

Pulsando reiteradamente la barra espaciadora y mirando el voltímetro se debe tratar de mantener la tensión sobre el electrolítico ajustada en aproximadamente 100V.

En la realidad se utilizaban unos contactos que oscilaban como un diapasón en una frecuencia de aproximadamente 400Hz y que eran autooscilantes porque poseían una bobina que los energizaba por pulsos. Ni qué decir tiene, que este dispositivo que conmutaba mecánicamente a un ritmo tan acelerado duraba muy poco y era frecuente su recambio; tanto que estaba montado sobre un culote que a su vez descansaba sobre un zócalo para que se pudiera cambiar sin desoldar.

CONCLUSIONES

En este primer capítulo realizamos una reseña histórica de las fuentes conmutadas y sobre todo repasamos los principios de funcionamiento y las leyes que rigen a los inductores y que tanto vamos a utilizar más adelante.

Hicimos un esfuerzo considerable para explicar, porqué no es simple reconocer al inductor como un componente acumulador de energía. Vimos que su hermano, el capacitor, es por fabricación casi ideal (tiene muy pocas perdidas) pero en el caso del inductor las pérdidas son considerables (generalmente por la resistencia del alambre). Pero aun si fuera ideal, seguramente no se lo tendría por un acumulador de energía dado que luego de cargarle un campo magnético, se requiere que permanezca en cortocircuito para conservarlo.

En la próxima edición comenzaremos a ver circuitos prácticos. Veremos que nuestra llave debe ser reemplazada por un transistor bipolar o MOSFET y nos detendremos a analizar las características de excitación de los mismos, para favorecer la velocidad de conmutación. En realidad se trata de un tema que solo parece teórico pero es realmente práctico, ya que el recalentamiento de los transistores está absolutamente ligado a la excitación.

Por Ing. Alberto Horacio Picerno
Docente Titular de la Cátedra de Fuentes Pulsadas (APAE)