Capitulo 1 - Fuentes Conmutadas

FUNCIONAMIENTO DE LAS F U E N T E S C ONMUTADAS O NMUTADAS

Introducción Tanto los equipos electrónicos de consumo como otros dispositivos industriales poseen circuitos cada vez más complejos, de más alto rendimiento y de reducido tamaño, lo que lleva a un aumento de la integración hasta en la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación han seguido este camino, permitiendo el diseño de circuitos cada vez más confiables por medio del uso de la “conmutación” para mejorar el rendimiento. De esta manera, las fuentes de alimentación conmutada también han evolucionado y hoy están presentes en la mayoría de los equipos electrónicos. Una fuente de alimentación, es todo sistema que adapta la energía disponible (la red eléctrica generalmente) a las necesidades de un equipo. Toda fuente de alimentación debe cumplir las siguientes tareas: - Rectificación y Filtrado: Conversión de una tensión alterna en una continua. - Estabilización: Minimización sobre la tensión de salida de las irregularidades producidas en la red (cortes de energía, variaciones de tensión, etc.) y en la carga. - Control: Establecimiento de los parámetros que se deben presentar a la carga.

Existen fuentes de alimentación lineales que se

caracterizan por utilizar como elemento de control, un transistor en serie con la carga, que disipa una potencia igual al producto de la diferencia de tensión entre la entrada y la salida, multiplicado por la corriente de carga máxima. Esto significa que la regulación se consigue con un bajo rendimiento, ya que el transistor debe disipar la energía que no consume la carga, provocando pérdidas elevadas que hacen que el rendimiento sea bajo. Para minimizar las pérdidas y así tener un rendimiento mayor, mayor, se coloca en la entrada de la fuente lineal un transformador reductor de la tensión de red, para que la tensión aplicada al transistor regulador se acerque a la de salida (figura 1). Otra forma de aumentar el rendimiento y así no tener que usar transformadores grandes y pesados es mediante el empleo de fuentes de alimentación conmutadas que utilizan un transistor de potencia en conmutación. De esta forma la potencia disipada en el transistor es muy inferior a la disipada en las fuentes lineales (figura 2). En estas fuentes, cuando el transistor está bloqueado, la corriente a través de él es prácticamente nula y en estado de saturación. La caída de tensión en sus terminales es pequeña, con lo cual en todo momento la potencia disipada en el transistor conmutador es muy baja. En estas fuentes, la tensión de red se rectifica y filtra directamente (sin el uso de un transformador), posteriormentee se “muestrea” o conmuta mediante el posteriorment

Figura 1

C LUB S ABER E LECTRÓNICA 3

R E P A R A C I Ó N

D E T E L E V I S O R ES E S D E U L T I M A

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Figura 2 transistor conmutador y por medio de un filtro L-C se obtiene el nivel medio de la onda pulsada. Algunas fuentes conmutadas poseen un transformador que adapta la tensión pulsada a un nivel más adecuado, aunque su uso no es siempre necesario. A cont continuac inuación ión damos damos algunas algunas caracterís características ticas que diferencian a las fuentes conmutadas de una fuente lineal o regulada sencilla: - Las fuentes conmutadas conmutan la señal a rectificar con una alta frecuencia (15kHz a 1MHz) frente a los 60Hz ó 50Hz de las fuentes lineales, con lo cual se reducen las dimensiones de los elementos reactivos (bobinas, condensadores o capacitores, y transformadores). - El transistor conmutador disipa menos potencia que el regulador de una fuente común, obteniendo un rendimiento muy superior. - Las fuentes conmutadas tienen más componentes que las reguladas, lo que acarrea una menor fiabilidad y un diseño más complicado. - Operan con señales que tienen grandes derivadas de tensión y corriente (dv/dt, di/dt) por lo que abundan los ruidos y se produce un rizado (ripple) considerable. - Normalmente las fuentes conmutadas necesitan carga para funcionar y trabajan con potencias ma yores que las comunes debido a su alto rendimiento (pueden llegar a 2kw en poco espacio).

Existen muchas formas de clasificar a las fuentes conmutadas, pero en principio las podemos dividir en: - Forzadas - Resonantes

A su vez, las forzadas pueden o no tener tener transformador y las resonantes aprovechan el paso por cero

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de la tensión o la corriente para conmutar y disminuir aún más las pérdidas en conmutación. Las fuentes forzadas sin transformador, a su vez pueden ser directas donde la energía se transmite directamente a la carga, o indirectas, y se caracterizan porque en un principio la energía se almacena en un componente magnético y/o capacitivo capacitivo y posteriorposteriormente se transmite a la carga. Bajo el mismo esquema topológico que hemos explicado recién, podemos tener fuentes que empleen transformador. El uso de transformadores a su vez posee ventajas ventajas y desventajas, desventajas, las ventajas ventajas son: - No precisa grandes bobinas cuando hay mucha diferencia entre la tensión de salida y la de entrada pues el transformador acerca ambos valores. - Se pueden colocar salidas múltiples con solamente un elemento conmutador. - El uso del transformador significa una aislación galvánica entre la entrada y la salida, evitando así el uso de chasis vivo o caliente. - Se puede operar en una mejor zona de trabajo.

En cuanto a las desventajas en el uso del transformador, podemos mencionar las siguientes: - Poseen tamaño y peso elevado. - Aumentan las pérdidas por histéresis y foucauld (se generan pérdidas en calor).

Las fuentes conmutadas generalmente pueden operar de dos maneras, dependiendo de la forma que tenga la corriente por la bobina. Si durante cada período la corriente cae a cero la fuente trabaja en modo de funcionamiento discontinuo. Si por el contrario, la corriente no cae a cero lo hace en modo de funcionamiento funcionamient o continuo, figura 3. Sea cual fuere el modo de funcionamiento de una fuente conmutada, siempre existe una dependencia

F U N C IO IO N A M I E N T O Figura 3

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entre la tensión de salida y la carga, lo cual hace que no tengamos una regulación perfecta. Para minimizar esta dependencia se emplean recursos en el camino de la realimentación (trabajando en lazo cerrado). Para ello se debe comparar la tensión que deseábamos a la salida, con la que hay, y actuar en consecuencia (figura 4). Además, con este sistema también se corrigen problemas que se puedan dar en la salida, como consecuencias de variaciones en la entrada (rizado, caídas de tensión, etc.). Para “cerrar” el lazo de realimentación se emplea un controlador que puede actuar de varias maneras: - Control en Modo Tensión: se obtiene la señal de control por medio de una señal de “error” que de pende de la diferencia entre la tensión y la referencia (figura 5). - Control en Modo Corriente: La señal de error, controla el máximo valor de corriente que se em pleará para controlar la tensión en la carga mediante un circuito de gestión, que es generalmente un flip-flop. En este caso se emplea un resistor de bajo valor en el camino de la salida para sensar el valor de la corriente (figura 6).

Figura 4

Figura 5

Ahora bien, para explicar el funcionamiento de una fuente de este tipo, recordemos que los componentes electrónicos se dividen en pasivos y activos, según su forma de operación: son pasivos aquellos que presentan un comportamiento único, que puede variar desde una simple carga hasta un almacén de energía; en tanto, los elementos activos son aquellos cuyo comportamiento varía en relación a las tensiones aplicadas. Entre los primeros tenemos a la resistencia, al condensador y a la bobina, mientras que en el segundo grupo tenemos a los diodos, transistores y dispositivos semiconductores en general. Justamente, el concepto de impedancia se aplica sólo a los componentes pasivos (teóricamente lo deseable es que los componentes pasivos no presenten el fenómeno de impedancia). Estudiando el comportamiento en DC (continua) de estos ele-




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Figura 6

mentos, se puede observar lo siguiente: la resistencia ofrece una cierta oposición al flujo de la corriente, las bobinas permiten su paso sin estorbo alguno y el condensador se comporta como un circuito abierto una vez que ha terminado de cargarse . Sin embargo, cuando a estos componentes se les aplica una tensión alterna, la situación cambia, ya que tanto en el condensador como la bobina muestran un comportamiento que recibe el nombre de impedancia, y que tiene un efecto particular según el componente. Cuando circula una corriente en el interior de una bobina, se produce un campo magnético, el cual no cambia de dirección fácilmente; esto significa que si a este elemento se le aplica una tensión de AC, el campo en su interior, comienza a presentar una cierta oposición al paso de la corriente en su interior. Este fenómeno es justamente la "impedancia inductiva". En cambio, los condensadores se cargan en un sentido, y si en un momento dado se invierte la polaridad, la tensión del dispositivo se suma al nuevo voltaje de alimentación, por lo que la corriente fluye más fácilmente, oponiendo una baja resistencia a la corriente alterna. Este comportamiento tan peculiar es lo que recibe el nombre de "impedancia capacitiva". La impedancia de un condensador es inversamente proporcional a la frecuencia, esto es, mientras más rápido oscile la señal de entrada, el condensador se comportará crecientemente como un corto-circuito; y al contrario, una bobina tiene una impedancia directamente proporcional a la frecuencia aplicada, esto es, conforme aumenta la frecuencia también se

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incrementa la oposición al paso de la corriente en su interior. La impedancia de un capacitor y una bobina se calcula de la siguiente manera: Zc = 1 /( 2 . ZL = 2 .

π

π

. f . C)

.f.L

donde π es igual a 3,1416; C es la capacidad del capacitor y L es la inductancia inductancia de la bobina. bobina. Puede observar, que en el primer caso el parámetro de la frecuencia se encuentra como divisor, divisor, lo que significa que a mayor frecuencia existirá una menor impedancia; y por el contrario, para la bobina la frecuencia se encuentra como multiplicador, lo que significa que a mayor frecuencia habrá mayor impedancia. ¿Y esto qué importancia tiene en los circuitos que estamos explicando? La respuesta es la siguiente: al diseñar un transformador, uno de los parámetros críticos es la frecuencia de operación a la que será sometido, ya que es un factor que determina el número de espiras tanto del primario como del secundario, así como el calibre del alambre empleado. Por ejemplo, en el diseño de un transformador de baja frecuencia (digamos 50Hz), se precisa de un número elevado de espiras en el lado primario, para evitar que circule por este segmento un gran flujo de corriente que pueda dañar al dispositivo, por lo tanto, si se requiere que el transformador maneje una

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corriente apreciable, debe combinarse una magnitud considerable de espiras con un alambre de calibre relativamente grueso, lo que finalmente da por resultado un transformador de dimensiones muy grandes y muy pesado. Y si además, se requiere que este transtransformador sea capaz de trabajar en distintas regiones o países, deben colocarse bobinados adicionales para que a su entrada se puedan conectar líneas de AC de 110, 120, 220 ó 240 volt, según el caso, incrementándose aún más el peso y volumen del dispositivo. En cambio, un transformador que es alimentado en su primario por una frecuencia de oscilación elevada, requiere de muchas menos espiras que en el caso contrario, lo que da por resultado un dispositivo más compacto y de menor peso, aunque con algunas características que lo hacen especial. Justamente, lo que se pretende en las fuentes que utilizan conmutador, es alcanzar una frecuencia de oscilación muy superior a la que se dispone en la línea de alimentación, de ahí la configuración presentada anteriormente. Sin embargo, se presenta un pequeño inconveniente: las láminas convencionales empleadas en la construcción del núcleo de los transformadores tradicionales, no son capaces de responder con la suficiente rapidez al elevar la frecuencia de la señal manejada por encima de los 200Hz, por lo que deben emplearse otros materiales como la ferrita. Pero a su vez, los núcleos de ferrita no son elementos fáciles de obtener (de hecho, existen pocas compañías a nivel mundial que los producen), por lo que resultan considerablemente más caros que los núcleos convencionales. Pero aún más, el circuito conmutador y el de control también incrementan el costo de las fuentes conmutadas en relación a las de tipo regulado simple, y de hecho esa fue la tendencia en los primeros años en que se aplicaron estos circuitos de alimentación a

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aparatos de uso doméstico. Sin embargo, con la producción masiva y el abaratamiento de los dispositivos electrónicos en general, el costo de las fuentes conmutadas se ha ido reduciendo, incluso hasta nivelarse en algunos casos con el de las tradicionales. Una de las principales ventajas de las fuentes conmutadas, es la posibilidad de ofrecer una salida estable a pesar de que la tensión de alimentación sufra variaciones considerables. Para explicar en qué se fundamenta esta flexibilidad, es necesario recordar el concepto de tensión o voltaje promedio. Para calcular la tensión promedio o RMS, primeramente se aísla un solo ciclo de la frecuencia de entrada (figura 7A); posteriormente se le da a esa señal una forma como si hubiera atravesado por un rectificador de onda completa ideal, o sea, sin pérdidas (figura 7B); luego se calcula el área que existe entre la curva y el nivel de masa (figura 7C); y por último se divide el resultado entre el tiempo en que tarda en completarse el período (figura 7D), de los que finalmente se deduce una tensión de DC que representa fielmente al nivel de AC de la entrada. Este cálculo se simplifica considerablemente cuando en la entrada se tiene una señal pulsante de una sola polaridad. En tal caso, la tensión promedio de la señal estará dada por la fórmula anexa a la figura 8. Por lo tanto, si aumenta el tiempo en que la señal está en alto y disminuye el lapso en que está en bajo, la tensión promedio se incrementará; y por el contrario, si aumenta el tiempo de apagado y disminuye el tiempo de encendido, la tensión promedio descenderá. Este es justamente el principio en el que se ba san las fuentes conmutadas, conmutadas, al momento en que el transistor conmutador conduce, en los extremos del primario se aplica la tensión de entrada en su totalidad por lo que en los secundarios se tiene una tensión proporcional a éste (dependiendo de la relación de espiras entre primario y secundario). secundario). Y por el contrario, (cuando el transistor se corta, no existe inducción en los bobinados), por lo cual a la salida no hay tensión pulsante en alta frecuencia. Basta solamente con colocar un diodo y un condensador de mediana capacidad, para que ese volta-

Figura 8




Figura 9

Figura 10

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G ENERACIÓN je se nivele y se expida una alimentación prácticamente constante. constante. Y aquí es donde se demuestra demuestra una ventaja adicional de las fuentes conmutadas: una configuración correctamente diseñada puede evitar la necesidad de incluir reguladores de voltaje, ya que por medio de una realimentación entre alguna de las salidas del transformador y el circuito controlador de conmutación, es posible manejar el ciclo de trabajo del dispositivo conmutador, de tal forma que sea capaz de mantener efectivamente un nivel de voltaje a la salida sin necesidad de más componentes, implicando un ahorro de costos. De hecho, más adelante se muestran algunos circuitos en los que se tiene esta situación. Anteriormente hemos realizado una “clasificación” de las fuentes conmutadas, sin embargo, podemos realizar una forma distinta de agruparlas atendiendo al parámetro modificado para efectuar la regulación:

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Figura 11 1) Tipo PAM o moduladoras de amplitud de pulso. 2) Tipo PWM o moduladoras de ancho de pulso. 3) Tipo FM o moduladoras de frecuencia.

Cada uno de estos tipos se puede reconocer mediante una simple extracción de señales en el osciloscopio, a la salida de alguno de los bobinados y conectando la fuente a un variac. Si al disminuir el nivel de AC de entrada, la señal muestra una variación en la altura de los pulsos de salida, nos enfrentamos a una fuente PAM; si, por el contrario, lo que varía es el ancho de los pulsos, la fuente será tipo PWM; y finalmente, si lo que cambia es la frecuencia de operación, tendremos una fuente tipo FM (figura 9). Expliquemos Expliquem os ahora con mayor detalle cómo opera una fuente conmutada. Para ello, consulte los procesos de la figura 10 conforme se vayan citando. Cuando el conmutador se encuentra "apagado" (cortado) no permite el paso de la corriente, en cuya situación la tensión del embobinado embobinado es de cero. Pero una vez que este elemento se "enciende" (se satura) la tensión alcanza súbitamente el nivel VC (10B); no obstante, por las propiedades inductivas del embobinado primario del transformador la corriente no aparece de inmediato, sino que comienza a crecer lentamente dependiendo del valor de la inducción. La figura 10C muestra este comportamiento de ascenso gradual. En teoría, el valor de la corriente podría llegar a ser infinito, aunque a partir de cierto nivel se fundirían los componentes de la fuente, en caso de no existir protecciones. Si el transistor se apaga después de un determinado tiempo, al que llamaremos Won (figura 10D), la corriente en el primario crecerá tan sólo hasta ese momento, pero dado que la inductancia actúa como almacén eléctrico, el flujo del primario no desaparece de improviso, per-

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maneciendo por un tiempo a través del diodo volante (figura 10E). Si después de un segundo momento (al que denominaremos Woff) el transistor vuelve a encenderse, nuevamente se repetirá todo el ciclo anteriormente descrito (figura 10F). Y como un transformador transformador induce induce en su secundasecundario las variaciones de corriente observadas en su primario, el resultado será como el de la figura 10G. La tensión de salida máxima (Vsmax) está dada por la relación entre el número de vueltas del primario y del secundario, por el valor máximo alcanzado por la corriente del primario y por el material magnético utilizado en el núcleo del transformador. Una vez que se tiene la tensión a la salida, basta con colocar un diodo y un condensador para eliminar el rizo (ripple) resultante, y como la frecuencia de los pulsos inducidos es muy alta, el valor del condensador puede ser relativamente pequeño y no por ello se producen caídas de voltaje (en la figura 11 se ejemplifica mejor esta situación). Este aprovechamiento de los pulsos de alta frecuencia tiene una ventaja adicional: como los bobinados del secundario trabajan por muy cortos períodos de tiempo, prácticamente no tienen oportunidad de calentarse, por lo que una fuente conmutada trabaja más "en frío" que una tradicional, disminuyendo disminuyendo así el riesgo de fallas. Además, los bobinados cortos permiten el empleo de alambres más delgados que los empleados en una fuente convencional. (Como una simple prueba, si conoce a alguien que se dedique a la reparación de computadoras,, pídale que le muestre una fuente descomputadoras tapada y chequee usted el calibre de los alambres empleados; seguramente le sorprenderá observar que son muy delgados. delgados. Y aún más cuando se entere que fuentes de 200W pueden proporcionar proporcionar un máximo de 23A en su línea de de 5V). Gracias a esto, las fuentes fuentes conmutadas son mucho más eficientes que las de tipo regulado: alrededor de un 90% contra un 50-60%, respectivamente.

L AS FUENTES C ONMUTADAS ONMUTADAS DE LOS T ELEVISORES: P R RIN INCI CIPI PIO O DE FUNCIONAMIENTO ¿Qué etapa de un 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 entretenimiento?

La fuente de alimentación alimentación pulsada. pulsada.




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¿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 forma teórica y práctica por los autores?

La fuente de alimentación pulsada. Siempre la fuente... A no dudarlo, la fuente de alimentación 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 potencia eléctrica hay calor y donde 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 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 los circuitos integrados integrados del TV (si por ejemplo la fuente arranca sin regulación). r egulación). 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 generación sale muy caro 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. 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).

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¿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 muy común encontrarse con equiequipos 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 tal como veremos más adelante. Para evitar sorpresas le decimos aquí que para reparar TVs incluyendo la fuente pulsada, Ud. debe tener una fuente Variac electrónico, electrónico, un téster digital y un téster analógico analógico sí o sí, no hay alternativa. Si tiene osciloscopio, será de gran ayuda, pero vamos a tratar de evitar su uso como como elemento imprescindible. Algunos de los circuitos que describiremos 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 nuestra página web. 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 desplegar un circuito “vivo” al cual le podrá realizar todos los cambios deseados para analizar su comportamiento comportamiento.. En el momento actual las fuentes f uentes 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.

Principios Fundamentale Fundamentaless 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 i nductor,, debe tener cuidado porque teóricamente no existe un límite a la tensión que se pueda generar.. Los 12V de la batería se pueden generar pueden transformar en miles de voltios si se utiliza un inductor adecuado. 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

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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 de 5kV/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 3kV positivos seguido 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 pulsaFigura 12

explica su funcionamiento. Dada la gran similitud que existe entre el EWB (Electronic Workbench), el Multisim o el LW LW (LiveWire) sólo le daremos daremos indicaciones 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 12 en Multisim y en la figura 13 en LW para aprender los principios fundamentafundamentales de la fuentes pulsadas. Nota para usuarios de LW: En el LW LW la llave pulsador 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 13. Además se debe ajustar el tiempo de simulación haciendo control y click en la solapa tool > simulation > timming 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 predisponerse para ser operada con la tecla A aunque también puede 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 1mH. Además, tenemos

Figura 13

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das. 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 (capacitores 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 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 descargar con un resistor 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 cargado por un largo periodo de tiempo, lo cual significa que su resistencia de aislación 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 pérdidas, por lo que se descarga muy rápida-

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Figura 14

mente 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 tensión que ahora puede llegar a los 10kV o más (figura 14). ¿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 Ω en serie con el inductor nos permite observar el crecimiento de la corriente con el otro haz del osciloscopio. Vea la figura 15 en donde ambos oscilogramas están superpuesto superpuestos. s. 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 proporcio-

F U N C IO IO N A M I E N T O nal 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 vuelva a probar. Se observará que la sobretensión hace caso omiso a cómo 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 Ω evidentemente despreciable. despreciable. El inductor, por lo tanto, trata de modificar la tensión para que siga siga circulando 1A y genera una sobretensión sobre la llave abierta, con el fin de que circule corriente por un circuito abierto. En l a 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 conveniente cambiar cambiar el valor de L por 1Hy y el de la resistencia r esistencia en serie por 0,001Ω. De este modo, si abrimos la llave cuando la tensión sobre el resistor en serie es de 1mV podemos estar estar seguros de que la cocorriente de corte es de 1ª (vea la figura 16).

La Forma de la Señal de Sobretensión Hasta ahora sólo observamos la sobretensión como un pulso sin detalles. Llegó la hora de expandir la escala hori-

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L A S F U E N T E S C O N M U T A D A S Figura 15

Figura 16

zontal 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 17). 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 18. Observe la forma de onda inferior (corriente). Vea que no tiene cambios bruscos; sólo 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 19). Aquí tenemos un interesante efecto de transferencia de energía y disipación, que debemos analizar con todo dete-

C LUB S ABER E LECTRÓNICA LECTRÓNICA 1 3



G ENERACIÓN tomóvil. 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 in ductor debe manteFigura 18 ner 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 Figura 19 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 1k Ω 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. Figura 17

nimiento. En principio, éste, un circuito muy utilizado desde principios del siglo XXI. Salvo por los valores de los componentes, se trata del circuito de encendido de un au-

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Capitulo 1 - Fuentes Conmutadas

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