1. Cómo funcionan las fuentes de alimentación conmutadas I. Cómo funcionan las fuentes de alimentación conmutadas I Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada II. Filtro EMC Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada III. Rectificador y condensad condensador or Funcionam Func ionamiento iento de una fuen fuente te de alime alimentaci ntación ón conm conmutada utada IV IV.. Corrección Corrección del facto factorr de potencia Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada V. Inverter Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada VI. Transformador Transformador Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada VII. Rectificador y filtro de salida Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada VIII. Regulador de tensión Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada IX. Funciones adicionales adicionales La Las fuentes de alimentación conmutadas tam!i" tam!i"nn con conoci ocida dass como como SMPS #s$itc% mode esenciales en nuestra vida y por lo tanto en nuestro tra!a'o como t"cnicos. po$er supply& son esenciales En electrónica la mayoría de averías están relacionadas con las fuentes de alimentación . (or eso conoci"ndolas y sa!iendo repararlas podemos resolver un gran porcenta'e de pro!lemas. Conocer las fuentes de alimentación conmutadas no solamente sirve para repararlas. )ay una variadores es de gran gran cant cantid idad ad de e*ui e*uipo poss *ue *ue util utili+ i+an an elec electr trón ónic icaa de pote potenc ncia ia como como los los variador frecuencia *ue regulan la velocidad de los motores las m,*uinas de soldadura o los sistemas de alimentación ininterrumpida #-I&. (or eso *uiero dedicar una serie de art/culos a este tema. dem,s dependiendo del inter"s *ue despierte estoy valorando la idea de crear un li!ro o un videocurso so!re reparación de fuentes de alimentación conmutadas.
1.1. Qué es una fuente de alimentación. La corr corrie ient ntee el"c el"ctri trica ca *ue *ue lleg llegaa a los los edifi edifici cios os e indu indust stria riass tien tienee unas unas cara caract cter er/s /sti tica cass determinadas. La mayor/a de receptores *ue se conectan a la red el"ctrica no pueden tra!a'ar directamente con esta corriente es necesario modificarla. corriente alterna *ue invierte su polaridad unas 011 o 021 veces La red el"ctrica suministra corriente por segundo dependiendo del del est,ndar seguido seguido en cada pa/s. Los equipos electrónicos tra!a'an con corriente continua *ue tiene un valor fi'o siempre con la misma polaridad. (ara convertir la corriente alterna en corriente continua es necesario rectificarla y estaili!arla. La tensión de la red el"ctrica puede ser de entre 001V y 311V dependiendo del pa/s. Los e*uipos conectados pueden tra!a'ar a cual*uier tensión dependiendo de su aplicación. (or e'emplo un televisor tra!a'a internamente con varias tensiones *ue pueden ir desde poco m,s 0
de 0Vdc %asta m,s de 41111V en el caso de los televisores CRT #los #los de tu!o de rayos catódicos *ue ya %an sido sustituidos por las pantallas planas&. El e'emplo m,s !,sico de fuente de alimentación *ue todos conocemos ser/a el cargador para el tel"fono móvil #celular&. 5ste convierte la corriente de la red el"ctrica *ue puede ser de 0116 231Vac a un valor *ue en la mayor/a de los casos es de 4Vdc.
1.". #uentes lineales y fuentes conmutadas. -eguramente recuerdas *ue los primeros cargadores para tel"fonos pesa!an muc%o m,s *ue los actuales. Los más pesados utili+a!a utili+a!ann fuentes de alimentación lineales mientras *ue los más li$eros usan fuentes de alimentación conmutadas. alimentación lineal se reduce la tensión mediante un transformador y En una una fuente de alimentación seguidamente se rectifica con diodos. (ara *ue la corriente sea m,s esta!le se filtra con condensadores condensadores electrol/ticos y en algunos casos se a7aden esta!ili+adores para *ue la tensión de salida tenga un valor e8acto. Este Este tipo tipo de fuentes fuentes tiene tiene una $ran pérdida de ener$ía en el transformador. dem,s para conseguir corrientes de salida muy altas el transformador de!e tener estar !o!inado con %ilo de co!re muy grueso lo *ue %ace *ue sea muy $rande y pesado. Las fuentes de alimentación conmutadas utili+an un principio similar pero con diferencias muy importante importantes. s. 9,sicame 9,sicamente nte aumentan la frecuencia de la corriente *ue pasa de oscilar 41:;1)+ a m,s de 011<)+ dependiendo del sistema utili+ado. l aumentar tanto la frecuencia reducimos las pérdidas y conseguimos reducir el tama%o del transformador y con ello su peso y volumen. En este tipo de fuentes f uentes la corriente se convierte de alterna a continua despu"s otra ve+ a alterna con una frecuencia distinta a la anterior y seguidamente vuelve a transformarse en continua. (or inversore ress o eso eso muc% muc%os os e*ui e*uipo poss !asa !asado doss en fuen fuente tess conm conmut utad adas as son son cono conoci cida dass como como inverso inverters. soldadu dura ra al arco arco. Los =n clar claroo e'em e'empl ploo ser/ ser/an an las las m,*u m,*uin inas as de solda Los e*ui e*uipo poss *ue *ue usan usan transformadores lineales #pr,cticamente %an desaparecido& desaparecido& pesan muc%/simo m,s *ue los de tipo inverter *ue no es m,s *ue una fuente fuente de aliment alimentaci ación ón conmuta conmutada da adap adapta tada da a las las caracter/sticas de este tipo de m,*uinas. velocidad el funci1namiento es muy similar. Regulando la frecuencia del En un variador de velocidad modificamos la velocidad del motor.
1.&. Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada separarla en loques loques y (ara entender el funcionamiento de una fuente conmutada de!emos separarla anali anali+a +arlo rloss paso paso a paso. paso. >e momen momento to vamos vamos a resum resumirlo irlos s para para ir profun profundi+ di+and andoo en los siguientes art/culos. E8isten E8isten muc%os tipos distintos distintos de fuentes fuentes y ser/a imposi!le imposi!le e8plicar e8plicar los detalles de cada uno. (or eso %e cre/do *ue lo m,s conveniente es centrarnos en los sistemas más comunes.
2
de 0Vdc %asta m,s de 41111V en el caso de los televisores CRT #los #los de tu!o de rayos catódicos *ue ya %an sido sustituidos por las pantallas planas&. El e'emplo m,s !,sico de fuente de alimentación *ue todos conocemos ser/a el cargador para el tel"fono móvil #celular&. 5ste convierte la corriente de la red el"ctrica *ue puede ser de 0116 231Vac a un valor *ue en la mayor/a de los casos es de 4Vdc.
1.". #uentes lineales y fuentes conmutadas. -eguramente recuerdas *ue los primeros cargadores para tel"fonos pesa!an muc%o m,s *ue los actuales. Los más pesados utili+a!a utili+a!ann fuentes de alimentación lineales mientras *ue los más li$eros usan fuentes de alimentación conmutadas. alimentación lineal se reduce la tensión mediante un transformador y En una una fuente de alimentación seguidamente se rectifica con diodos. (ara *ue la corriente sea m,s esta!le se filtra con condensadores condensadores electrol/ticos y en algunos casos se a7aden esta!ili+adores para *ue la tensión de salida tenga un valor e8acto. Este Este tipo tipo de fuentes fuentes tiene tiene una $ran pérdida de ener$ía en el transformador. dem,s para conseguir corrientes de salida muy altas el transformador de!e tener estar !o!inado con %ilo de co!re muy grueso lo *ue %ace *ue sea muy $rande y pesado. Las fuentes de alimentación conmutadas utili+an un principio similar pero con diferencias muy importante importantes. s. 9,sicame 9,sicamente nte aumentan la frecuencia de la corriente *ue pasa de oscilar 41:;1)+ a m,s de 011<)+ dependiendo del sistema utili+ado. l aumentar tanto la frecuencia reducimos las pérdidas y conseguimos reducir el tama%o del transformador y con ello su peso y volumen. En este tipo de fuentes f uentes la corriente se convierte de alterna a continua despu"s otra ve+ a alterna con una frecuencia distinta a la anterior y seguidamente vuelve a transformarse en continua. (or inversore ress o eso eso muc% muc%os os e*ui e*uipo poss !asa !asado doss en fuen fuente tess conm conmut utad adas as son son cono conoci cida dass como como inverso inverters. soldadu dura ra al arco arco. Los =n clar claroo e'em e'empl ploo ser/ ser/an an las las m,*u m,*uin inas as de solda Los e*ui e*uipo poss *ue *ue usan usan transformadores lineales #pr,cticamente %an desaparecido& desaparecido& pesan muc%/simo m,s *ue los de tipo inverter *ue no es m,s *ue una fuente fuente de aliment alimentaci ación ón conmuta conmutada da adap adapta tada da a las las caracter/sticas de este tipo de m,*uinas. velocidad el funci1namiento es muy similar. Regulando la frecuencia del En un variador de velocidad modificamos la velocidad del motor.
1.&. Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada separarla en loques loques y (ara entender el funcionamiento de una fuente conmutada de!emos separarla anali anali+a +arlo rloss paso paso a paso. paso. >e momen momento to vamos vamos a resum resumirlo irlos s para para ir profun profundi+ di+and andoo en los siguientes art/culos. E8isten E8isten muc%os tipos distintos distintos de fuentes fuentes y ser/a imposi!le imposi!le e8plicar e8plicar los detalles de cada uno. (or eso %e cre/do *ue lo m,s conveniente es centrarnos en los sistemas más comunes.
2
•
•
•
•
•
•
• • • •
#iltro 'MC. -u función es a!sor!er los pro!lemas el"ctricos de la red como ruidos
%armónicos transitorios etc. Tam!i"n Tam!i"n evita *ue la propia fuente env/e interferencias a la red. Puente rectificador. -olo de'a pasar la corriente en un sentido de modo *ue convierte la corriente alterna en corriente pulsante es decir *ue oscila igual *ue la corriente alterna aun*ue ?nicamente en un sentido. Corrector del factor de potencia. En determinadas circunstancias la corriente se desfasa respecto a la tensión lo *ue provoca *ue no se aprovec%e toda la potencia de la red. Condensador. mortigua la corriente pulsante para convertirla en corriente continua con un valor esta!le. (ransistor. -e encarga de cortar y activar el paso de la corriente. >e este modo se convierte a la corriente continua en corriente pulsante. Controlador. ctiva y desactiva el transistor. Esta parte del circuito suele tener varias funciones como como protecció protecciónn contra contra cortocircu cortocircuitos itos so!recarg so!recargas as so!reten so!retensione siones6 s6 Tam!i" Tam!i"nn controla controla al circuito de corrección del factor de potencia. dem,s mide la tensión de salida de la fuente y modifica la se7al entregada al transistor para regular la tensión y mantener esta!le la salida. (ransformador. Reduce la tensión y adem,s a/sla f/sicamente la entrada de la salida. )iodo. Convierte la corriente alterna del transformador a corriente pulsante. #iltro. Convierte la corriente pulsante en continua. *ptoacoplador. Enla+a la salida de la fuente con el circuito de control pero manteni"ndolos f/sicamente separados.
@
". #uncionamiento de una fuente alimentación conmutada II. #iltro 'MC.
de
Continuando con el art/culo anterior cómo funciona una fuente de alimentación conmutada vamos a ir anali+ando cada una de las etapas para entender su funcionamiento y repararlas con mayor facilidad. -i no lo %as le/do te recomiendo *ue lo %agas para seguir toda la serie de forma ordenada y puedas sacarle mayor provec%o.
".1. Qué es el ruido electroma$nético Ao %ace muc%o esta!a en mi casa soldando al arco. >e repente coincidiendo con el inicio de una soldadura la puerta autom,tica del gara'e se cerró sola. La m,*uina esta!a conectada a una toma de corriente cercana al mecanismo de la puerta. Cuando se conecta o desconecta cual*uier elemento el"ctrico es normal *ue se produ+can picos de tensión *ue se transmiten a trav"s de la red el"ctrica o a trav"s del aire en forma de campos electroma$néticos. Aormalmente estos picos tam!i"n llamados transitorios suelen ser muy leves y no afectan al resto de e*uipos conectados. -in em!argo en instalaciones con muc%os aparatos conectados estos picos se multiplican. +as fuentes conmutadas producen astante ruido eléctrico de!ido a los picos de tensión *ue genera la conmutación del transistor. Las m,*uinas m,s potentes como las *ue utili+an motores activados mediante contactores pueden generar picos !astante fuertes. (odr/amos pensar *ue los variadores de velocidad eliminan este fenómeno al no tener contactores pero como se trata de aparatos similares a las fuentes conmutadas de!emos seguir teni"ndolos en cuenta. Todo el ruido el"ctrico puede provocar pro!lemas en las máquinas más sensiles como me ocurrió al soldar.
".". Qué es un filtro 'MC 'MC son las siglas de
compati!ilidad electromagn"tica. La legislación industrial como en el caso europeo %ace la >irectiva 2113:01B:CE o!liga a todos los e*uipos el"ctricos a cumplir una serie de re*uisitos. 9,sicamente se trata de *ue cada aparato sea inmune a los prolemas electroma$néticos de la red el"ctrica y a su ve+ no emita interferencias a trav"s de "sta. Es decir *ue el e*uipo *uede aislado del resto en lo *ue se refiere a ruido electroma$nético. (ara poder cumplir estos re*uisitos las fuentes de alimentación deen montar un filtro en su entrada. Este filtro suele estar compuesto principalmente por una o varias oinas en serie uno o varios condensadores en paralelo o una cominación de amos sistemas.
Es*uema de un filtro EMC com?n.
3
".& Cómo funciona el filtro 'MC (ara entender el funcionamiento del filtro no es necesario conocer en profundidad estos componentes salvo *ue *ueramos adentrarnos en el dise7o de fuentes conmutadas. -implemente !astar, con sa!er *ue las oinas evitan el paso de corriente de alta frecuencia y los condensadores ,acen -usto lo contrario. Los campos electroma$néticos tienen un alcance proporcional a su frecuencia es decir *ue se propagan con m,s facilidad cuando su frecuencia es m,s alta. (or eso la radio y la televisión transmiten a frecuencias muy altas. La red el"ctrica tiene una frecuencia muy !a'a de modo *ue su campo magn"tico suele ser muy reducido. Esto *uiere decir *ue eliminando las altas frecuencias evitamos la mayor parte del ruido generado por campos electromagn"ticos. l montar !o!inas en serie solo puede atravesarlas la corriente continua o la alterna de a-a frecuencia #9F&. Los condensadores en paralelo solo de'an pasar la corriente de alta frecuencia #)F& sin afectar a la corriente continua o alterna 9F. Tam!i"n se amortiguan los picos de tensión *ue al tener una duración tan corta se comportan como la corriente de alta frecuencia.
Filtro EMC con !o!inas con n?cleo de aire y condensadores. >ependiendo de la calidad del filtro "ste puede constar simplemente de un condensador o montar varias etapas de !o!inas y condensadores. Tam!i"n se comerciali+an filtros EMC montados *ue pueden ir en un módulo independiente o acoplados a la clavi'a de toma de corriente del e*uipo. En este caso la fuente ya no necesitar/a incorporar estos componentes.
".. Cómo reparar un filtro 'MC la %ora de reparar una fuente de alimentación conmutada #-M(-& de!emos compro!ar el circuito de forma modular. >e!ido a *ue utili+an componentes pasivos astante roustos es raro encontrar alguno de "stos da7ados. La verificación de esta etapa es !astante sencilla. -i al poner el circuito en tensión no se funde un fusi!le ni salta ninguna protección solo tenemos *ue medir la tensión a la entrada y a la salida del filtro EM-. -i %ay entrada pero no %ay salida seguramente una de las !o!inas est" cortada. -olo de!eremos medir la continuidad de cada !o!ina y compro!ar cu,l de ellas no conduce.
4
Filtro EMC con un solo condensador en paralelo En el caso de *ue salte el fusi!le y otra protección de!emos desconectar la salida del filtro desoldando algunos componentes para *ue la corriente no llegue a la siguiente etapa. -i al aplicar tensión sigue %a!iendo un cortocircuito mediremos los condensadores para ver cu,l de ellos est, cru+ado. (uede ocurrir *ue el cruce est" en las !o!inas si comparten el mismo n?cleo al %a!erse fundido su !arni+ aislante. -i las medidas son confusas de!eremos desoldar los componentes para medirlos individualmente.
"./. #iltros 'MC desaparecidos Es muy %a!itual encontrar placas donde los elementos de filtrado %an sido puenteados para a%orrar componentes. Lo m,s com?n es *ue esto suceda en e*uipos económicos. En el lado contrario los e*uipos m,s sensi!les o de me'or calidad montan filtros EMC m,s sofisticados de varias etapas para asegurar *ue no dar,n pro!lemas en entornos poco óptimos. Como ves el filtro EMC es !astante sencillo y no suele dar demasiados pro!lemas
;
&. #uncionamiento de una fuente de alimentación conmutada III. 0ectificador y condensador. En este art/culo se e8plicar, la etapa de rectificación y el condensador donde la corriente alterna se convierte en continua.
&.1. 'l diodo (ara convertir la corriente alterna en continua necesitamos de un componente semiconductor es decir *ue de'a pasar la corriente solo !a'o unas determinadas condiciones. >istintos tipos de diodos rectificadores =n diodo se compone !,sicamente de dos cristales de silicio conectados entre s/. Estos cristales tienen caracter/sticas especiales #*ue de momento no e8plicar" para no e8tenderme demasiado& *ue ?nicamente permiten el paso de electrones en un sentido. racias a esta caracter/stica podemos eliminar todos los semiciclos negativos o positivos de una corriente alterna.
&.". 'l puente rectificador Los diodos pueden conectarse de forma *ue inviertan el signo de uno de los semiciclos. >e esta forma en ve+ de eliminar un semiciclo se consigue aprovec%ar para sacar el m,8imo rendimiento de la corriente de entrada. (uentes rectificadores integrados en un solo encapsulado Este tipo de puentes no son m,s *ue con'untos de cuatro diodos encapsulados en un mismo componente lo *ue facilita la fa!ricación y la disipación de la temperatura. Es f,cil encontrar circuitos donde el puente rectificador est, formado por diodos individuales. El funcionamiento el"ctrico es id"ntico.
(uente rectificador formado por diodos individuales
D
&.". 'l condensador electrolítico =n condensador es !,sicamente un componente fa!ricado a !ase de capas conductoras separadas por un elemento aislante. Las capas est,n muy cerca unas de otras lo *ue permite *ue los electrones al tener carga negativa se vean atra/dos por la capa con carga positiva. Condensadores electrol/ticos de aluminio Este comportamiento %ace *ue el condensador se convierta en una especie de !ater/a con muy poca carga. l aplicar corriente el condensador se carga y al desconectarlo se descarga a trav"s de los componentes conectados.
&.&. +a etapa rectificadorcondensador (ara entender me'or el comportamiento de la corriente lo ilustraremos con las siguientes formas de onda Fig. 0 Formas de onda En la fi$ura 12 puedes ver la forma de onda sinusoidal t/pica de la corriente alterna #de!o mati+ar *ue los di!u'os no tienen la forma e8acta de una onda senoidal perfecta&. >urante la mitad del tiempo la corriente se despla+a en un sentido y en la otra mitad lo %ace en el sentido contrario. Cuando conectamos un diodo en serie con la corriente en su salida encontraremos la onda *ue aparece en la figura 13. )emos eliminado el semiciclo negativo de la onda anterior. =tili+ando un puente rectificador conseguimos aprovec%ar la corriente de los dos semiciclos. La onda de salida ser, parecida a la de la figura 1C. En el primer caso # 13& %a!lamos de un rectificador de media onda por*ue perdemos la mitad de la onda. En el segundo # 1C& decimos *ue es un rectificador de onda completa. l a7adir un condensador a la salida del diodo amortiguamos la onda de!ido a *ue el condensador se carga mientras la onda asciende y se descarga lentamente cuando desciende.
B
Fig. 2 Rectificador de media onda formado por un diodo y un condensador Como puedes ver en la fi$ura " en el semiciclo positivo el diodo de'a pasar corriente y el condensador se carga mientras *ue durante el semiciclo negativo el diodo no conduce y el condensador de'a salir su carga. Como %a!r,s deducido se trata de un rectificador de media onda. La onda de salida corresponde a la figura 1) donde se aprecia cómo se suavi+a la ca/da de la onda gracias a la descarga del condensador.
Fig. @ (uente rectificador de onda completa con condensador electrol/tico.
En la fi$ura & %ay cuatro diodos *ue permiten *ue durante un semiciclo la corriente pase por dos de ellos y en el semiciclo contrario pase por los otros dos. s/ es como se aprovec%a toda la corriente en un rectificador de onda completa. El es*uema es id"ntico si se utili+a un puente rectificador o cuatro diodos individuales. El rectificador de media onda se utili+a en algunas fuentes de alimentación de muy poca intensidad donde la calidad no es muy importante o donde se re*uiere utili+ar muy pocos componentes ya sea por motivos económicos o de espacio. El condensador a la salida de un rectificador de onda completa transforma la se7al *ue es similar a la figura 1'. Como ves se parece m,s a una corriente continua *ue usando un rectificador de media onda. Como la ca/da es m,s corta se puede utili+ar un condensador de menor capacidad %aciendo el circuito m,s !arato y compacto.
&.. 'l ri!ado Como %a!r,s adivinado realmente no %emos convertido la corriente alterna en una verdadera corriente continua. En una gr,fica la corriente continua es una se7al totalmente %ori+ontal sin alti!a'os. estos alti!a'os le llamamos ri+ado. Cuanto menor sea este ri+ado m,s se parecer, la se7al a una corriente continua y por tanto ser, de me'or calidad. Fig. 3 Forma de una corriente continua con ri+ado.
•
•
)ay varias formas de reducir o eliminar el ri!ado Aumentando la capacidad del condensador la ca/da de la corriente es m,s lenta por lo *ue la curva se suavi+a. Añadiendo una bobina en serie. La !o!ina en serie se comporta igual *ue un condensador en paralelo de modo *ue se refuer+a este efecto. G
•
Utilizando un estabilizador a
una tensión menor. -i a7adimos un elemento semiconductor *ue elimine la parte alta de la onda conseguimos una corriente continua perfecta aun*ue tendr, una tensión menor. En esta etapa de las fuentes conmutadas no se suelen utili+ar esta!ili+adores.
&./. 0ies$os al manipular una fuente conmutada En una fuente de alimentación conmutada la tensión en el condensador supera los &445dc. =na ve+ desconectada la fuente el condensador mantiene su carga durante un tiempo *ue puede ser !astante largo. Esto *uiere decir *ue si tocas accidentalmente sus contactos puedes reci!ir una fuerte descarga. La corriente continua tiene algunos riesgos distintos a la corriente alterna. 9,sicamente piensa en *ue el condensador puede convertirse en un desfi!rilador y una descarga podría pararte el cora!ón. Es me'or prevenir as/ *ue antes de tocar el circuito de!es descargar el condensador. Ho utili+o una l,mpara incandescente de 2@1V:011. Tam!i"n puedes usar una resistencia de cer,mica del valor adecuado. Evita puentear los contactos del condensador con elementos met,licos por*ue una descarga tan !rusca puede da7ar el propio condensador. -o!re todo si es un condensador grande por*ue se produce un arc%o #c%ispa+o& *ue funde los metales en contacto. -o!re todo ten cuidado cuando conectes y desconectes la fuente varias veces mientras la reparas por*ue de!es descargar el condensador cada ve+ y es f,cil saltarte este paso en un descuido.
&.6. 2verías típicas en esta etapa +os condensadores electrolíticos se deterioran con
el paso del tiempo so!re todo si est,n e8puestos a altas temperaturas o a condiciones el"ctricas desfavora!les. Cuando el condensador se de$rada va perdiendo capacidad. Esto supone *ue el ri!ado aumenta. Aormalmente al dise7ar una fuente se prev" *ue el condensador ir, perdiendo capacidad por lo *ue se so!redimensiona. -in em!argo llega un punto en el *ue el ri+ado es tan alto *ue afecta al funcionamiento del circuito provocando fallos. (ara medir el estado de un condensador suele ser suficiente con un capacímetro. Muc%os mult/metros incorporan esta función. El capac/metro indica la capacidad real del condensador y de!e corresponderse con su valor nominal indicado en su encapsulado. -i la capacidad es inferior a la marcada %ay *ue sustituirlo. En circuitos m,s sensi!les es necesario usar otro tipo de e*uipos como los medidores de 'S0 #resistencia serie e*uivalente&. =n condensador de'a circular la corriente alterna a trav"s suyo. Inyectando corriente alterna de alta frecuencia y midiendo la resistencia *ue presenta se puede conocer la calidad del condensador. -i un condensador aparenta tener su capacidad nominal pero la E-R es mayor de varios o%mios se recomienda reempla+arlo. En los casos en *ue el condensador est, muy deteriorado suele verse la tapa superior a!ultada o agrietada. -i es as/ no %ace falta medir el componente. >e!e ser sustituido directamente. Condensadores %inc%ados Con un osciloscopio es f,cil diagnosticar el estado del condensador. Como puedes ver en las siguientes im,genes se aprecia perfectamente el cam!io en el ri+ado.
01
Ri+ado de!ido a un condensador averiado -e7al despu"s de cam!iar el condensador
•
•
)ay dos posi!les causas de aver/as provocadas por los diodos =no o varios diodos cortados . Ao %ay tensión a la salida de los diodos. -e puede compro!ar f,cilmente cada diodo con un mult/metro. =no o varios diodos cruzados . la salida de los diodos %a!r, corriente alterna. Este caso es m,s raro y si sucede %a!r, *ue sustituir los diodos y tam!i"n los componentes *ue funcionan en corriente continua como el condensador el circuito integrado de control etc.
00
. #uncionamiento de una fuente de alimentación conmutada I5. Corrección del factor de potencia. En este art/culo e8plicar" cómo funciona la etapa de corrección del factor de potencia #(FC& en una fuente de alimentación conmutada #-M(-&. )a!lar" de conceptos un poco m,s comple'os. Es un tema *ue no domino demasiado cuesta e8plicarlo y tam!i"n cuesta entenderlo.
.1. 'l malo de la película7 el cos8 En corriente alterna la tensión y la intensidad tienen formas de onda independientes. La tensión depende de la red pero la intensidad var/a en función del consumo del circuito conectado. Cuando conectamos una l,mpara incandescente o una resistencia a la red las formas de onda de la corriente y la tensión son muy similares variando ?nicamente su amplitud. Las cargas resistivas son lineales es decir *ue su consumo es proporcional a la tensión aplicada por*ue la resistencia es fi'a. -in em!argo es %a!itual *ue las cargas no sean puramente resistivas y por lo tanto el consumo no sea lineal. Fig. 0 >esfase de la intensidad respecto a la tensión. Cuando conectamos un motor la forma de onda de la intensidad es similar a la de la tensión aun*ue despla+ada en el tiempo. Esto es de!ido a *ue los !o!inados no a!sor!en la corriente de forma lineal. Las oinas almacenan corriente en forma de campo magn"tico y esto provoca *ue tarden un tiempo en cargarse y descargarse. (or lo tanto a!sor!en corriente el"ctrica en función de la diferencia entre la tensión aplicada y la carga de la !o!ina. Jcurre el mismo efecto cuando la carga es un condensador aun*ue el desfase es inverso. Es decir *ue en un caso la corriente se atrasa respecto a la tensión y en el otro se adelanta. Cuando la carga se comporta como una !o!ina decimos *ue es una car$a inductiva. -i lo %ace como un condensador la llamamos car$a capacitiva. 02
-i la corriente est, adelantada o atrasada respecto a la tensión decimos *ue est,n desfasadas. El án$ulo de desfase se e8presa con la función coseno y se representa como cos8 #se lee coseno de fi&. -u valor puede estar entre 1 y 0. La potencia real teniendo en cuenta *ue P95:I es menor si %ay un desfase. En este caso no podemos multiplicar los valores a!solutos sino *ue de!emos tener en cuenta este desfase. La fórmula correcta ser/a P95:I:cos8. -i las se7ales est,n alineadas es decir *ue la car$a es resistiva o lineal cos891. (or eso no se tiene en cuenta en la fórmula del c,lculo de la potencia #(KVI0 da el mismo resultado *ue (KVI&. (ara entenderlo gr,ficamente o!serva la fi$ura 1. Cuando las ondas est,n sincroni+adas # fi$ura 12& en el paso por cero tenemos *ue P945:4294; y en el pico Pma<95ma<:Ima<. El ,ngulo de desfase es cero por lo *ue el cos891. En la fi$ura 13 no sucede lo mismo por*ue cuando una de las ondas pasa por cero la otra tiene un valor positivo o negativo. El cos8=1 por lo *ue el resultado es *ue la onda P tiene un valor menor *ue en la fi$ura 12. En definitiva cuando la tensión y la intensidad est,n desfasadas entre s/ la potencia no se aprovec%a correctamente. -i adem,s sumamos m,s cargas del mismo tipo es decir inductivas o capacitivas los desfases se van sumando por lo *ue el ,ngulo de desfase aumenta disminuyendo el rendimiento de la l/nea. En la pr,ctica podemos tener una l/nea el"ctrica por la *ue circula una $ran intensidad teniendo conectados e*uipos de poca potencia. (or este motivo las normativas #y tam!i"n las compa7/as el"ctricas& penali+an estos pro!lemas de calidad el"ctrica.
.". +os compinc,es del malo7 los armónicos En una fuente de alimentación se com!inan varios pro!lemas *ue afectan a su rendimiento. (or un lado tenemos un condensador *ue adelanta la intensidad respecto a la tensión. Esto significa *ue el cos8>1. (or otro lado tenemos el puente de diodos *ue convierte la corriente alterna en corriente pulsante. %ora viene lo complicado. El condensador no se carga y descarga completamente sino *ue suelta una pe*ue7a parte de su carga cuando la tensión es menor y se recarga cuando la tensión es mayor. Esto *uiere decir *ue solamente a!sor!e corriente cuando se recarga. En la fi$ura "3 puedes ver la tensión en el condensador #l/nea negra& y la corriente de carga #l/nea a+ul&. El resultado es *ue la intensidad a!sor!ida por el circuito tiene una forma de onda no senoidal y adem,s desfasada. Esta forma de onda distorsionada se compone de varias frecuencias superpuestas *ue se conocen como armónicos. +os armónicos son frecuencias m?ltiplos de la frecuencia fundamental. -i te %as *uedado igual te lo e8plico un poco me'or. -i la red el"ctrica tiene una frecuencia de 41)+ los armónicos se comportan como ecosN a 011)+ 041)+ 211)+ etc. Cuanto mayor sea la distorsión mayor valor tendr,n estos armónicos. +os armónicos son un efecto indeseado por*ue son corrientes par,sitas *ue no podemos 0@
aprovec%ar pero circulan igualmente por los conductores provocando recalentamientos e interferencias. Fig. 2 Formas de onda en condensador y !o!ina
.&. 'l factor de potencia )emos visto *ue el desfase entre tensión e intensidad disminuye la potencia real y *ue el con'unto de diodos O condensador distorsiona la corriente. >enominamos factor de potencia a la relación entre la potencia activa #potencia real aprovec%ada por los e*uipos conectados& y la potencia aparente #potencia consumida de la red el"ctrica&. >e la propia definición podr,s deducir *ue si las dos potencias #activa y aparente& no son iguales estamos aprovec%ando solo una parte de la potencia consumida. El o!'etivo en cual*uier circuito el"ctrico es *ue la potencia activa y la aparente sean iguales por lo tanto su relación ser, igual a 0. )a!itualmente se confunde el factor de potencia con el cos8. El cos8 influye en el factor de potencia por*ue cuanto mayor sea el desfase entre tensión e intensidad m,s potencia estaremos desperdiciando. -in em!argo la distorsión de la se7al no tiene nada *ue ver con el desfase y tam!i"n influye en el factor de potencia.
.. Cómo corre$ir el factor de potencia en una fuente conmutada =na ve+ conocidos los malos de la pel/cula vamos a !uscar el final feli+ el factor de potencia se puede corregir de modo *ue toda la potencia a!sor!ida sea aprovec%ada. )ay varios sistemas para conseguirlo. En el caso de un motor donde am!as ondas son senoidales y %ay poca distorsión !asta con conectar un condensador en paralelo. -i dec/amos *ue una !o!ina retrasa la intensidad conectando un condensador la adelantamos. -olamente de!emos calcular el valor del condensador para *ue las dos ondas *ueden sincroni+adas. En la industria cuando %ay una gran cantidad de motores conectados se utili+an aterías de condensadores donde un e*uipo electrónico mide el desfase y va conectando o desconectando condensadores %asta alinear la tensión y la intensidad. En los pe*ue7os e*uipos inductivos como sucede en los !alastos de l,mparas fluorescentes se conecta un pe*ue7o condensador *ue compense el desfase producido por la reactancia *ue es una !o!ina con un valor fi'o. Cuando se usan componentes pasivos #!o!inas y condensadores& para corregir el factor de potencia denominamos a estos sistemas correctores del factor de potencia pasivos. En el caso de las fuentes conmutadas *ue es lo *ue nos importa no resulta tan sencillo por*ue el pro!lema no es solamente el desfase tam!i"n %ay *ue corre$ir la distorsión. (ara ello necesitamos un corrector del factor de potencia activo. (ara conseguirlo %ay varios sistemas *ue son similares por lo *ue nos centraremos en el m,s utili+ado.
03
Fig. @ Es*uema de corrector del factor de potencia En la fi$ura & %e di!u'ado un es*uema sencillo *ue representa un corrector del factor de potencia #(FC&. En los circuitos reales se a7aden varios componentes pasivos y semiconductores discretos dependiendo del fa!ricante y el modelo del circuito integrado. J!servando el es*uema puedes ver los componentes mencionados en el art/culo anterior el puente rectificador y el condensador electrol/tico. El circuito inte$rado controla a un transistor M*S#'( como si fuese un interruptor conect,ndolo y desconect,ndolo miles de veces por segundo. Cuando el transistor est, conectado la !o!ina se carga de corriente y cuando se desconecta la !o!ina comien+a a descargarse. Variando el tiempo *ue el transistor est, conectado y desconectado se puede regular la cantidad de carga en la !o!ina. El circuito integrado mide varios par,metros normalmente la tensión de salida del rectificador la tensión en el condensador y la corriente total consumida. El resultado es *ue a partir de los datos medidos y del control del transistor se consigue componer en la !o!ina una forma de onda senoidal. Concretamente tal como puedes ver en la fi$ura "C la tensión aplicada a la !o!ina est, di!u'ada en color negro. La corriente en la !o!ina tiene una forma triangular #representada en color a+ul& generada por la carga de la !o!ina mediante el transistor. La corriente tiene un valor efica+ *ue al tratarse de una onda triangular se corresponde con la media de dic%a onda #color verde&. Mediante este circuito %emos conseguido una onda senoidal con una distorsión mínima y sin desfase es decir con un factor de potencia muy cercano a 1. >e cara a la red el"ctrica este circuito se comporta pr,cticamente igual *ue una carga resistiva. (or eso tam!i"n se denomina emulador de car$a resistiva. Tam!i"n se consigue desacoplar la corriente del condensador de la red. Entre la !o!ina y el condensador %ay un diodo para *ue el condensador no devuelva corriente %acia la !o!ina o el transistor.
./. 'l P#C en la práctica Muc%as fuentes de alimentación no incorporan corrector del factor de potencia. Jtras com!inan el (FC y la conmutación en un solo circuito integrado. La mayor/a de averías en esta sección se limitan a los componentes activos como el transistor y el circuito integrado. -in em!argo al da7arse alguno de ellos se puede producir un cruce *ue de'e pasar toda la corriente a componentes sensi!les por lo *ue es %a!itual encontrar resistencias y diodos en mal estado. 04
Es muy conveniente diagnosticar esta sección utili+ando un osciloscopio. -iguiendo las se7ales no es dif/cil determinar los componentes da7ados. Tam!i"n resulta imprescindi!le conseguir el datas,eet #%o'a de caracter/sticas t"cnicas& del circuito integrado por*ue cada modelo tiene un funcionamiento distinto. -on muy f,ciles de encontrar desde las $e! de sus fa!ricantes !uscando en oogle o en $e!s como datas%eetcatalog #gratuita y muy r,pida de usar&. En el datas%eet se descri!e el funcionamiento del circuito los valores nominales incluso es posi!le encontrar las formas de onda de cada sección. Con esta información es m,s f,cil diagnosticar una aver/a.
/. #uncionamiento de una fuente de alimentación conmutada 5. Inverter. En este art/culo veremos la parte m,s importante de una fuente de alimentación conmutada el inverter. En esta etapa la corriente continua se convierte en una especie de corriente alterna necesaria para *ue funcione el transformador.
/.1. Qué es un inverter -eguro *ue la pala!ra inverter te recuerda a algo. Pui+,s a las m,*uinas de soldadura por arco o al aire acondicionado de ?ltima generación. (ues !ien se trata de lo mismo. =n inverter es un convertidor de corriente continua a corriente alterna. Qusto lo contrario *ue el diodo. diferencia de un rectificador de diodos un circuito para convertir la corriente continua en alterna es algo m,s complicado. Aecesitamos generar impulsos de corriente con un oscilador. (ara ello nos podr/a !astar con un transistor y un condensador. En una fuente de alimentación necesitamos controlar la corriente cual*uier factor e8terno podr/a %acer *ue la tensión o la intensidad variasen de forma no deseada. Esto podr/a provocar aver/as incluso da7os graves. (ara conseguir controlar la corriente se utili+an circuitos inte$rados *ue %acen todo el tra!a'o dif/cil. El o!'etivo es *ue la tensión de salida de la fuente sea muy estale y no se descontrole aun*ue %aya camios de car$a muy !ruscos.
/.". 'l transistor de conmutación (ara generar la corriente alterna lo *ue %acemos es cortar y de'ar pasar corriente muc%as veces por segundo. (odemos imaginar un interruptor *ue se conecta y desconecta constantemente. El resultado es una forma de onda rectan$ular. En lugar de un interruptor usamos un transistor *ue permite tra!a'ar a grandes velocidades pudiendo cam!iar su estado en pocos nanosegundos. 0;
En la pr,ctica los transistores utili+ados suelen ser M*S#'( e I@3( por*ue sus caracter/sticas son m,s apropiadas *ue los transistores ipolares. (ara variar las caracter/sticas de la corriente podemos controlar el transistor de varias formas. 0e$ulación por variación de frecuencia.
=na opción es variar la frecuencia del oscilador. -i el transistor conmuta a mayor velocidad la frecuencia de la corriente resultante es m,s alta. Este sistema se utili+a en los variadores de velocidad de motores de corriente alterna. La velocidad del motor es proporcional a la frecuencia de la corriente aplicada. (recisamente los e*uipos de refri$eración inverter se denominan as/ por*ue tienen un circuito variador de velocidad regulando la velocidad del compresor. En los e*uipos sencillos #no inverter& el compresor tiene dos velocidades fi'as una de arran*ue y otra de tra!a'o. Cuando se activa el compresor el consumo el"ctrico es muy elevado %asta *ue alcan+a su velocidad de tra!a'o. Las m,*uinas inverter mantienen el compresor girando a !a'a velocidad para no detenerse y evitar el arran*ue. (or eso son e*uipos el"ctricamente m,s eficientes. 0e$ulación por anc,o de pulso AP;MB.
En las fuentes conmutadas no es via!le el sistema anterior por*ue el transformador de!e tra!a'ar a una frecuencia fi-a. (ara regular la tensión y la corriente de salida se utili+a un $enerador P;M. (M son las siglas de (ulse idt% Modulation *ue traducido significa Modulación por 2nc,o de Pulsos. El concepto es muy simple si el interruptor est, conectado durante m,s tiempo de'ar, pasar m,s corriente y si est, menos tiempo ocurre lo contrario. (ara entenderlo me'or te lo mostrar" de forma gr,fica.
Fig. 0 Jndas moduladas por (M En la fi$ura 1 puedes ver dos ondas con la misma frecuencia y distinto (M. La l/nea ro'a representa el valor efica! de la tensión una ve+ rectificada y filtrada.
/.&. 'l re$ulador P;M Las fuentes de alimentación conmutadas incorporan generalmente un circuito inte$rado *ue reali+a la regulación (M adem,s de muc%as otras funciones como la protección contra cortocircuito contra so!retensiones corrección de errores arran*ue suave etc. Vamos a centrarnos en su función como controlador del transistor por*ue el resto de a7adidos var/a enormemente seg?n el fa!ricante y modelo. 9,sicamente el regulador $enera una se%al (M en función de la tensión de salida de la fuente. 0D
Cuando la tensión de salida supera el valor deseado estrec%a los pulsos de corriente y as/ el transformador reci!e menos energ/a. l caer la tensión de salida reali+a la función contraria. >e este modo la tensión de salida se mantiene constante aun*ue var/e la carga aplicada. (ara ciertas aplicaciones donde la carga var/a muy r,pidamente el circuito de!e tener una respuesta inmediata para prevenir alti!a'os en la salida. El regulador tam!i"n puede incorporar una entrada *ue se conecta a una resistencia s,unt para medir la corriente *ue consume el e*uipo.
Fig. 2 Es*uema de la sección de conmutación En el es*uema de la fi$ura " puedes ver cómo se conectan los distintos elementos. El circuito integrado puede alimentarse directamente a trav"s de una resistencia #de un valor !astante alto& ya *ue interiormente incorpora un circuito esta!ili+ador de tensión. En otros casos se alimenta desde un oinado au
0B
Fig. @ -e7ales en el transistor de conmutación Cuando el transistor no est, conduciendo la tensión *ue le llega a trav"s del !o!inado del transformador es igual a la de entrada por*ue las !o!inas en corriente continua se comportan como un conductor. Esta tensión tiene la forma de la fi$ura &2. -i aplicamos a la ase o puerta #dependiendo del tipo utili+ado& del transistor una se7al (M "ste conducir, de forma sincroni+ada con esta se7al. Cuando el transistor est, conduciendo la tensión en sus patillas es cero por*ue *uedan conectadas al negativo. En este momento la oina del transformador reci!e toda la tensión de entrada al *uedar conectada entre >CO y >C. (or lo tanto a!sor!e toda la corriente *ue necesita. Cuando el transistor de'a de conducir la !o!ina se descarga. >e este modo la !o!ina se carga y descarga c/clicamente por lo *ue la forma de la corriente ser/a una especie de onda trian$ular. En definitiva %emos conseguido entregar corriente alterna al transformador con la *ue ya puede funcionar.
/.. 'l re$ulador P;M en la práctica Como %e dic%o antes %ay muc%os modelos distintos de reguladores cada uno con unas caracter/sticas distintas. Es importante consultar los datas,eet para ver sus particularidades. En estos mismos datas%eet podemos ver cómo funciona el circuito integrado la función de cada pin las tensiones intensidades y frecuencias de tra!a'o alg?n es*uema sencillo y las formas de onda m,s importantes. Con toda esta información y entendiendo el comportamiento de la corriente podemos medir y diagnosticar cual*uier aver/a. En este caso como ocurr/a con el P#C es interesante poder contar con un osciloscopio para ver las se7ales aun*ue e8isten trucos para poder reali+ar la mayor parte de mediciones sin "l.
0G
6. #uncionamiento de una fuente de alimentación conmutada 5I. (ransformador. Te voy a e8plicar lo m,s importante *ue de!es sa!er so!re los transformadores. En las etapas anteriores %emos convertido la corriente alterna en continua para despu"s volver a generar una corriente alterna. Es el momento de reducir la tensión.
6.1. Qué es un transformador =n transformador !,sicamente es un con'unto de dos oinas que comparten el mismo n?cleo. =na de las !o!inas convierte la corriente en energ/a electromagn"tica y la otra %ace 'usto lo contrario.
La !o!ina *ue reci!e la corriente se conoce como oinado primario y la *ue genera corriente se llama oinado secundario. Igual *ue ocurr/a en la etapa del (FC la !o!ina reci!e una 21
corriente el"ctrica y como ocurre con cual*uier conductor una parte de esa corriente se convierte en un campo electroma$nético. Este campo magneti+a el n?cleo del transformador. Cuantas m,s vueltas tiene la !o!ina mayor cantidad de la corriente reci!ida se convierte. Cuando la corriente se detiene el campo magn"tico se disipa. El metal con el *ue se fa!rica el n?cleo no permanece imantado por lo tanto solo mantiene el campo magn"tico durante un instante. El campo magn"tico generado provoca *ue los electrones del !o!inado secundario se desplacen generando una pe*ue7a corriente. l invertirse el semiciclo de la corriente se vuelve a repetir el proceso aun*ue esta ve+ el campo magn"tico tienen la polaridad invertida y tam!i"n la corriente del secundario.
Fig. 0 -/m!olos de transformadores (odemos arrollar varias !o!inas en el mismo n?cleo con lo *ue tendremos varios secundarios. 5stos pueden estar el"ctricamente unidos como en la figura 1B y 1D o separados como en la figura 1C . Ao %ay cone8ión el"ctrica entre los !o!inados primario y secundario por lo *ue los transformadores tam!i"n sirven para aislar el circuito de entrada del circuito de salida. La tensión de entrada es proporcional a la de salida. Esto *uiere decir *ue si aumenta en el primario tam!i"n lo %ar, en el secundario y viceversa. Cam!iando la relación de espiras tam!i"n cam!iamos la relación de tensiones. -i por e'emplo el !o!inado primario tiene el mismo n?mero de espiras *ue el secundario la tensión de salida ser, igual a la de entrada. La relación de transformación ser, 00. Este tipo de transformador solo resultar/a interesante como aislamiento de seguridad. -i el !o!inado primario tiene 011 espiras y el secundario tiene 01 la tensión de salida ser, 01 veces menor *ue la de entrada. La relación ser, 001. -i el primario tuviera 4 y el secundario 411 la tensión de salida ser/a 011 veces la de entrada #0011&.
Fig. 2 Tensión en el primario y en el secundario 20
-i al conectar el transformador intercam!iamos el primario por el secundario la relación de transformación se invierte de modo *ue un transformador *ue reduc/a la tensión pasar, a aumentarla y viceversa. Imaginemos *ue tenemos un generador conectado a tur!ina movida por una corriente de agua. Ese generador produce 02V. -i conectamos un transformador con una relación 021 #primario S secundario& a la salida tendremos 231V. (odemos llevar la corriente a trav"s de un ca!le y en el otro e8tremo conectar otro transformador 021 #primario secundario& para reducir la tensión de nuevo a 02V donde conectaremos una l,mpara. s/ es !,sicamente como funcionan los tendidos de alta tensión *ue unen las centrales generadoras con los edificios de los consumidores.
6.". (ipos de transformadores
•
o
El transformador es un elemento !astante sencillo y tiene muc%/simas aplicaciones por lo *ue e8isten muc%os tipos distintos. En las fuentes de alimentación !,sicamente %ay dos tipos (ransformadores lineales Tra!a'an a !a'a frecuencia #41;1)+&. -on pesados y tienen un !a'o rendimiento es decir *ue al transformar corriente – campo magnético – corriente una parte importante de la energ/a se pierde. )a!itualmente se utili+an dos tipos (ransformadores de c,apa en ' El n?cleo est, compuesto de muc%as l,minas met,licas superpuestas.
Fig.0 Transformador de l,minas en E
Fig.2Transformador toroidal.
(ransformadores toroidales El n?cleo es un anillo al
o
*ue se arrollan las
!o!inas. •
(ransformadores de pulsos
-u forma es similar a la de los transformadores de c%apas en E pero los n?cleos est,n fa!ricados de materiales como la ferrita. Tra!a'an a altas frecuencias lo *ue permite reducir las p"rdidas y adem,s o!tener una mayor corriente de salida con un tama7o muc%o menor *ue el de los transformadores lineales. En las fuentes de alimentación conmutadas se utili+an los transformadores de pulsos . La principal particularidad de este tipo de transformadores es *ue el n?cleo est, afinadoN a una frecuencia. (or lo tanto no podemos intercam!iar transformadores *ue tra!a'en en distintos rangos de frecuencias.
22
Transformador de pulsos
6.&. Potencia y corriente má
6.. 'l transformador en las SMPS Con todo lo e8plicado anteriormente ya te puedes %acer una idea del funcionamiento del transformador en las fuentes conmutadas *ue es lo *ue nos interesa. En la etapa anterior se %a!/a generado una corriente alterna de m,s de @11Vpp *ue se aplica al primario. Aormalmente las salidas del transformador ser,n menores de 41V eficaces. Muc%as fuentes conmutadas tienen un !o!inado au8iliar para alimentar los componentes de las secciones activas es decir el corrector del factor de potencia y la etapa de conmutación #inverter&. >e %ec%o no es raro encontrar transformadores con m,s de cinco !o!inados secundarios. (or e'emplo en las fuentes de alimentación para (C puede %a!er un !o!inado para cada salida #O02V 02V O4V 4V @.@V etc.&. En las fuentes de alimentación lineales #no conmutadas& los transformadores se seleccionan en función de sus tensiones potencias y cone8ión de los !o!inados. Estos par,metros est,n !astante estandari+ados por lo *ue no %ay demasiada variedad y no es dif/cil encontrar el modelo deseado. Los transformadores de pulsos son m,s complicados por*ue al tener *ue seleccionar par,metros como la frecuencia de tra!a'o y la opción de !o!inados au8iliares las posi!ilidades se multiplican. (or si esto fuese poco no %ay valores ni referencias estandari+ados lo *ue complica enormemente conseguir un repuesto. (ara m/ el transformador es el componente m,s tedioso en caso de *ue sea necesario repararlo. veces %ay *ue dedicar muc%o tiempo a !uscar el repuesto lo *ue puede %acer invia!le la reparación. En la mayor/a de los casos el transformador se dise%a a medida para cada modelo de circuito. -i se trata de un e*uipo muy caro donde vale la pena dedicarle !astante tiempo se puede re!o!inar el transformador. Tan solo es cuestión de desmontarlo con muc%o cuidado contando las vueltas de cada %ilo y estudiando muy !ien su monta'e. Es importante montar el %ilo nuevo e8actamente igual con el mismo n?mero de espiras sentido aislamientos cone8iones etc. 2@
Tam!i"n %ay *ue medir !ien las secciones de los !o!inados y seleccionar un %ilo esmaltado id"ntico para *ue el con'unto mantenga las mismas caracter/sticas el"ctricas.
9o!inado de un transformador de pulsos
6./. 2verías en un transformador de pulsos •
•
•
9,sicamente %ay tres tipos de aver/as en un transformador =n !o!inado est, cortado -uele ser el primario aun*ue tam!i"n puede darse el caso en alg?n secundario. -e puede medir con un pol/metro si la !o!ina tiene una resistencia infinita el !o!inado est, cortado. =n !o!inado est, cru!ado totalmente -i el transformador se recalienta el !arni+ aislante *ue cu!re el %ilo del !o!inado se puede *uemar *uedando las espiras en contacto. El efecto es un cortocircuito #resistencia e impedancia de 1U&. =n !o!inado tiene un cruce parcial -i el cruce se %a producido en un solo punto del !o!inado afectando a varias espiras. En este caso la resistencia y la impedancia #resistencia en corriente alterna& ser,n menores sin llegar a 1U. (ara medir un transformador de pulsos de!emos desoldarlo de la placa para evitar falsas medidas de!ido a los componentes conectados en paralelo. Lo ideal es tener un inductímetro para medir la inductancia de cada !o!inado. Tam!i"n se puede medir con el polímetro *ue nos dar, el valor de la resistencia en corriente continua. Los !o!inados suelen tener un valor muy !a'o por*ue no de'an de ser %ilos de co!re. El pol/metro ?nicamente nos sirve para descartar *ue el !o!inado est, cortado y en algunos casos tam!i"n podemos descartar *ue %aya un cruce total si la resistencia es mayor de unos pocos o%mios. -e puede usar un medidor de E! y un pol/metro para verificar un !o!inado. (rimero medimos resistencia en continua con el pol/metro igual *ue en el paso anterior y posteriormente medimos la E-R #resistencia serie e*uivalente&. un*ue un medidor E-R est, pensado para condensadores tam!i"n nos sirve por*ue no de'a de ser un medidor de la impedancia o resistencia en corriente alterna. -i el !o!inado mide 1U en corriente alterna %ay un cortocircuito. La resistencia de!e ser nota!lemente mayor en alterna *ue en continua. Tam!i"n se puede medir el transformador en funcionamiento. -implemente %ay *ue compro!ar las tensiones de su entrada y salida. >ependiendo del tipo de aver/a resultar, m,s lógica una u otra opción.
23
. #uncionamiento de una fuente de alimentación conmutada 5II. 0ectificador y filtro de salida. Ha %emos %a!lado de casi todas las etapas *ue componen una fuente de alimentación conmutada. Con las etapas anteriores %a!/amos conseguido una corriente alterna reducida respecto a la entrada.
.1. 0ectificador de salida l igual *ue ocurr/a en el rectificador del primario donde convert/amos 2@1Vac en unos @21Vac utili+aremos un diodo para convertir la corriente alterna en corriente pulsante ##i$ura 1&.
Fig. 0 Rectificador y filtro de salida En esta ocasión no nos importa si usamos un rectificador de media onda o un rectificador de onda completa. El motivo es *ue esta corriente es de alta frecuencia. Esto *uiere decir *ue los pulsos estar,n muc%o m,s 'untos y ser, muy f,cil filtrarlos para conseguir una corriente continua.
24
Fig. 2 Formas de onda 9a'a frecuencia a la i+*uierda y alta frecuencia a la derec%a #& corriente alterna #9& media onda rectificada #C& onda completa rectificada #>& media onda filtrada #E& onda completa filtrada En la fi$ura " puedes ver la comparación entre dos frecuencias distintas. -e aprecia *ue cuando la frecuencia es más alta los pulsos están más -untos por lo *ue el condensador pr,cticamente no tra!a'a. -i tenemos en cuenta *ue la frecuencia puede ser miles de veces superior a la del primario es f,cil deducir *ue el condensador en el secundario puede ser muc%o m,s pe*ue7o. >e!ido precisamente a la alta frecuencia de la corriente no podemos utili+ar diodos rectificadores normales. -i lo %ici"semos "stos tardar/an demasiado tiempo en empe+ar y de'ar de conducir. (ara esta función se utili+an los diodos ultrarrápidos o diodos Sc,ottDy. -u s/m!olo es distinto al de los diodos rectificadores normales # fi$ura &&.
Fig. @ #& diodo -c%ott
.". #iltro de salida
•
Tal como ocurre con el rectificador del primario a la salida tam!i"n es necesario montar un componente *ue suavice el ri+ado. Como ya %e dic%o con un condensador de poca capacidad es suficiente. (recisamente por la facilidad de filtrar el ri+ado tam!i"n se utili+an oinas en serie. Las !o!inas presentan una serie de venta'as entre las *ue podemos destacar estas -e puede fitrar una gran corriente aumentando la sección del %ilo *ue forma la !o!ina #figura 3&. 2;
• •
Ao %ay desgaste como ocurre en los condensadores electrol/ticos. Ao se ven afectadas por las altas temperaturas.
Fig. 3 9o!ina en la salida de una soladora invertir -i una !o!ina sirve como filtro igual *ue un condensador podemos com!inar am!os para me'orar el filtrado. En la fi$ura / puedes ver tres tipos de filtro de tipo C #condensador& de tipo L #!o!ina& y de tipo LC #!o!ina y condensador&. Las com!inaciones se pueden complicar m,s aumentando el n?mero de componentes. (or e'emplo no es raro encontrar filtros LC en configuración W #condensador !o!ina y condensador&.
Fig. 4 Tipos de filtro de salida #& filtro C #9& filtro L #C& filtro LC
.&. 0ectificador y filtro con salida ne$ativa. (ara conseguir una alimentación ne$ativa simplemente se conectan dos diodos y dos condensadores tal como muestra la fi$ura 6. En este caso los condensadores se pueden sustituir por !o!inas o com!inar am!os componentes igual *ue en el e'emplo anterior. nicamente %ay *ue tener en cuenta la polaridad de los condensadores.
2D
Fig. ; Rectificador y filtro dual
E. #uncionamiento de una fuente de alimentación conmutada 5III. 0e$ulador de tensión. La ?ltima etapa de una fuente de alimentación conmutada es la *ue controla la re$ulación de tensión tam!i"n llamada retroalimentación #feed!ac<& o amplificador de error. El funcionamiento de esta etapa es muy !,sico pero resulta !astante confuso por la forma de e8plicarlo en los li!ros de te8to y datas%eet de fa!ricantes. >espu"s de leer este art/culo sa!r,s perfectamente cómo funciona esta etapa.
E.1. Por qué ,ay que re$ular la tensión en una fuente de alimentación conmutada. 2B
En las fuentes -M(- la tensión de salida depende de varios factores. Cuando se conecta una car$a *ue consume muc%a corriente la tensión de la fuente cae. Igualmente cuando la carga disminuye la tensión aumenta de nuevo. -i la carga no es esta!le como ocurre en la mayor/a de aplicaciones %ay *ue mantener la tensión constante para evitar pro!lemas de funcionamiento y aver/as. El regulador (M del primario var/a la anc,ura de los pulsos para cam!iar la tensión de salida del transformador. Esto *uiere decir *ue en una fuente conmutada la tensión es variale. En la mayor/a de aplicaciones la tensión de la fuente de!e ser fi-a y adem,s muy esta!le para *ue la tensión sea lo m,s e8acta posi!le y no var/e en ning?n momento.
E.". Cómo se re$ula la tensión de salida de una fuente conmutada En una fuente de alimentación lineal la tensión de salida se regula mediante circuitos integrados esta!ili+adores de tensión o diodos +ener en aplicaciones m,s !,sicas. En muc%os circuitos no se re*uiere demasiada precisión por lo *ue ni si*uiera se usan componentes espec/ficos. La tensión de salida es la *ue entrega el transformador una ve+ rectificada por los diodos y filtrada por el condensador. En una fuente de alimentación conmutada no sirve este planteamiento y se %ace de una forma totalmente distinta. La solución es muy !,sica. -e mide la tensión en la salida de la fuente y se varía la se%al P;M para aumentarla o disminuirla seg?n se re*uiera. Es f,cil decirlo pero %acerlo es otra %istoria. El principal pro!lema es *ue el regulador (M est, en el primario con tensiones de m,s de @11V y *ueremos medir la tensión en el secundario *ue suele ser de pocos voltios. El transformador sirve como aislamiento de seguridad por lo *ue no interesa conectar partes del primario con componentes del secundario para mantener este aislamiento. En este caso entra en 'uego el optoacoplador.
E.&. Qué es un optoacoplador =n optoacoplador es un circuito integrado *ue contiene un diodo led y un fototransistor. Cuando aplicamos tensión al led "ste se ilumina activando el fototransistor *ue entra en conducción. m!os componentes se ven pero no se tocanN es decir *ue el led transmite lu+ al fototransistor pero no ,ay contacto f/sico entre ellos. l estar los componentes aislados el"ctricamente los circuitos conectados en cada lado permanecen separados.
Fig. 0 -/m!olo del optoacoplador Las corrientes *ue soporta un optoacoplador tanto en el diodo como en el fototransistor son muy !a'as por lo *ue ?nicamente pueden mane'ar se7ales. (ara poder mane'ar cargas de cierta potencia se de!e conectar alg?n componente adicional. 2G
E.. 'l circuito inte$rado (+&1 un*ue %ay varias formas de regular la tensión en una fuente conmutada la m,s %a!itual gira en torno a un componente el (+&1.
Fig. 2 Circuito integrado TL3@0
•
•
•
-e trata de un circuito inte$rado *ue incorpora varios elementos. >e!ido a su !a'o coste y a su precisión es el componente más ,aitual para esta aplicación. Cada fa!ricante var/a la referencia de sus componentes. Es %a!itual encontrar este componente con otros códigos pero suelen coincidir en la numeración 8883@0. Internamente el TL3@0 tiene tres elementos representados a la derec%a de la fi$ura " =n circuito de referencia de 24V. -iempre *ue entre los terminales Y y # fi$ura "& %aya una tensión superior esta parte del circuito generar, 24V con una $ran precisión y esta!ilidad ante los cam!ios de temperatura. =n amplificador operacional *ue cuando la tensión en el terminal REF es superior a 24V activa su salida. =n transistor *ue entra en conducción cuando el operacional entrega tensión a su !ase. En definitiva el integrado conecta los terminales Y y cuando en el terminal REF %ay m,s de 24V. Este modo de funcionamiento %a %ec%o *ue el TL3@0 sea conocido como !ener re$ulale aun*ue yo creo *ue este nom!re provoca !astantes confusiones. El s/m!olo *ue se suele utili+ar en los es*uemas es el de la i+*uierda de la fi$ura ". -e trata del s/m!olo de un diodo +ener al *ue se %a a7adido el terminal REF.
E./. Cómo funciona el circuito de re$ulación un*ue en la pr,ctica cada circuito tiene unos componentes distintos es %a!itual seguir el siguiente es*uema !,sico
@1
Fig. @ Cone8ión de los componentes de regulación de tensión R2 y R@ act?an como un divisor de tensión. -i por e'emplo la tensión de salida de la fuente de!e ser de 4V R2 y R@ tendr,n valores id"nticos para *ue en el pin REF la tensión sea igual a 24V. Cuando la tensión entre O y sea mayor de 4V la tensión en REF tam!i"n ser, mayor *ue 24V por lo *ue el TL3@0 de'ar, pasar corriente a trav"s de R0 y el led del optoacoplador. El led se iluminar, activando el fototransistor *ue conectar, a masa el terminal F9 #feed!ac<& del regulador (M *ue a su ve+ reducir, el anc%o de los pulsos para disminuir la tensión de salida. Cuando la tensión entre O y caiga por de!a'o de 4V y por lo tanto sea menor de 24V en REF el TL3@0 de'ar, de conducir el led se apagar, y el fototransistor desconectar, la entrada F9 de la masa. En este caso el regulador (M aumentar, el anc%o de los pulsos %asta reci!ir una nueva se7al del optoacoplador. En definitiva el re$ulador sará cuándo aumentar o disminuir la tensiónF en función del estado del (+&1. El funcionamiento puede variar seg?n el tipo de regulador (M por lo *ue de!es consultar el datas%eet del fa!ricante para ver las diferencias. Las fuentes de alimentación de mayor calidad suelen tener una respuesta !astante r,pida y efectiva ante los cam!ios de tensión provocados por variaciones !ruscas de la carga. Esto se consigue utili+ando el modelo adecuado de regulador (M adem,s de varios componentes adicionales normalmente resistencias y condensadores cerca del TL3@0. Tam!i"n es f,cil encontrar alg?n diodo +ener.
E.6. 2verías en la sección de feedacD Ao es muy frecuente *ue fallen estos componentes puesto *ue reci!en se7ales muy pe*ue7as. (ara locali+ar la aver/a lo me'or es medir los componentes uno a uno. -i %ay tensión en la salida O se pueden seguir las se7ales con un osciloscopio. Ten muc%o cuidado a la %ora de medir con el osciloscopio por*ue no puedes conectar la masa del primario con la del secundario. @0
dem,s los osciloscopios de so!remesa tienen la masa de la sonda unida a la toma de tierra de la red.
G. #uncionamiento de una fuente de alimentación conmutada IH. #unciones adicionales. Este es el ?ltimo art/culo de la serie. Vamos a repasar algunas funciones adicionales *ue dependen de cada fa!ricante y cada modelo. Es interesante conocerlas por*ue son !astante comunes y pueden enga7arte a la %ora de usarlas y repararlas. dem,s si te interesa este tema al final del art/culo %ay algo *ue te va a interesar. Estos son los art/culos anteriores si te los %as perdido
@2
G.1. Stand y $reen mode (ara cumplir las nuevas legislaciones cada ve+ m,s e8igentes enfocadas al a,orro ener$értico cada fa!ricante aporta soluciones distintas. (rincipalmente %ay dos tipos de función stand !y J Stand y accionado por otro dispositivo
En algunos e*uipos m,s antiguos se usa!a un relé activado desde otro circuito *ue corta!a totalmente el circuito. Realmente la fuente no entra!a en stand b" por s/ misma sino *ue era desconectada totalmente. -e usa!a como stand b" por*ue normalmente se instala!a una alimentación au8iliar de muy !a'o consumo. ctualmente se activan o desactivan mediante una se%al de control *ue puede ser enviada desde otro dispositivo. =n claro e'emplo son las fuentes de alimentación 2(H *ue utili+an los (C. En estas fuentes un %ilo #pin G& suministra tensión permanente y una se7al en un determinado %ilo concretamente en el pin 03 activa o desactiva la fuente. Esto permite arrancarlas con un pulsador pero tam!i"n algo m,s sofisticado. =na tecla del teclado o una tar'eta perif"rica como la ethernet se alimentan de la tensión permanente y env/an la se%al de activación a la placa !ase y dependiendo de la configuración de la 9IJ- "sta env/a el impulso a la fuente para activarla. Muc%os t"cnicos fa!rican sus fuentes de alimentación para la!oratorio utili+ando fuentes TX y puentean el pin 03 para *ue funcionen. -i necesitas una fuente potente con salidas fi'as de 4 y 02V es la solución m,s económica. J Stand y activado por consumo A$reen modeB
Los circuitos integrados controladores miden el consumo de la fuente. Cuando "ste cae por de!a'o de un nivel se interpreta *ue no ,ay nada conectado a la salida lo *ue indica *ue no es necesario *ue la fuente siga activada. -in em!argo la fuente no puede desconectarse totalmente por*ue es necesario alimentar al circuito para *ue se pueda reactivar todo. %/ es donde cada fa!ricante aporta una solución distinta. Es necesario consultar los datasheet #%o'as de caracter/sticas& de cada fa!ricante para conocer el funcionamiento concreto y otros detalles. modo de e'emplo puedo decirte *ue algunos sistemas consisten en reducir la frecuencia de conmutación. @@
