CURSO DE FUENTES CONMUTADAS - LECCION 4
LA REGULACION DE LA ETAPA DE SALIDA

En notas anteriores ya analizamos el funcionamiento de los diferentes circuitos que integran una fuente conmutada clásica, resta definir ahora, cómo se obtienen las diferentes tensiones de salida. En este artículo veremos cómo es el bloque de regulación de la tensión de salida y el oscilador.

INTRODUCCION

Conocemos la mayoría de los bloques que constituyen una fuente pulsada. Hasta ahora analizamos el funcionamiento del transistor llave, el transformador de pulsos y el rectificador de secundario. En este artículo vamos a agregar el oscilador (que en nuestro caso funciona utilizando el mismo transistor llave por tratarse de un circuito auto-oscilante), la etapa de control del período de actividad o regulador del circuito y el medidor de tensión de salida o circuito de medición.

Nuestra fuente se completará así, para que el lector la pueda modificar y reparar a su antojo. Le comentamos que a pesar de tratarse de un dispositivo de estudio puede funcionar perfectamente bien y no debería extrañarle que sea muy similar a circuitos utilizados en modernos videograbadoras y televisores de bajo precio.

El oscilador de una fuente pulsada es el encargado de generar la señal alterna original de excitación de la base del transistor llave. Ese oscilador puede ser un bloque oscilador separado con sus propios componentes pasivos y activos o puede estar autocontenido en la misma etapa del transistor llave, simplificando el diseño. En el primer caso, la frecuencia de oscilación es más estable; en el segundo la frecuencia se ve afectada por la regulación; pero como ya vimos en el artículo anterior nuestra fuente era insensible prácticamente a los cambios moderados de frecuencia.

Un oscilador no es más que una variante de un amplificador. Se trata simplemente de un amplificador con realimentación positiva. En efecto, la realimentación negativa reduce la amplificación y la distorsión de un amplificador. La positiva aumenta la amplificación y la distorsión de modo que llegado a un determinado nivel de realimentación, la señal realimentada es mayor que la original y en ese momento se puede asegurar que el fenómeno de la amplificación se realimenta a sí mismo, produciendo una señal de salida, sin necesidad de generar la correspondiente señal de entrada.

¿A qué frecuencia se producirán las oscilaciones?
Intuitivamente podemos contestar que será a aquella frecuencia en la que la realimentación positiva se hace máxima. En efecto, no puede ser a otra frecuencia; ya que el amplificador no puede oscilar más que a una sola frecuencia, lo hará a aquella que primero cumpla con la condición “de amplificación total mayor a uno”. Si se exagera la realimentación positiva, el oscilador tendrá una forma de onda no sinusoidal producto de una elevada distorsión. Pero siempre seguirá oscilando a una sola frecuencia, con un elevado contenido de armónicas, tal que inclusive la señal de salida se puede parecer más a una onda rectangular que a una sinusoidal.

En el caso de las fuentes pulsadas, se busca precisamente que la forma de señal del transistor sea una onda rectangular lo más perfecta posible para reducir la disipación por falta de una velocidad de conmutación adecuada.

Con respecto a los bloques de medición de la tensión de salida y de control del período de actividad, debemos aclarar aún en qué basan su funcionamiento. Los osciladores, ya sean autocontenidos o no, se diseñan con un período de actividad propio o intrínseco, superior a lo necesario para establecer la tensión de salida adecuada en la peor de las condiciones. Es decir, que con la máxima carga y la mínima tensión de entrada, nuestro dispositivo no controlado, debe generar una tensión algo mayor a la correcta. Es decir que al transistor llave le debe sobrar período de actividad.

Las etapas de medición y control deben analizar la tensión de salida y reducir el período de actividad en el valor necesario para establecer la tensión de salida correcta con una mínima tolerancia. Y si cambia la carga, o la tensión de red, la etapa de control variará el período de actividad rápidamente para compensar dicha variación.

Aún sin conocer el circuito completo, el lector debe haber observado ya, que nuestra fuente es un verdadero peligro para el funcionamiento del equipo que alimenta. En efecto, una falla en el control, puede aumentar la tensión de salida a niveles peligrosos que dañen a todo el TV o la video. Por esa razón, es que la mayoría de las fuentes poseen etapas de protección que cortan el funcionamiento cuando la tensión de salida supera un nivel predeterminado. Estas etapas de protección puede estar incluidas en el medidor de tensión de salida, en el transistor llave mismo o ser exteriores a la fuente, operando como un cortocircuito sobre la salida que quema el fusible de entrada a la fuente.

 
LA LLAVE AUTO-OSCILANTE
Para que el lector comprenda cómo funciona nuestra fuente vamos a tomar el último circuito de la misma y le vamos a conectar el osciloscopio en la señal de entrada a la base y en la derivación inferior del transformador de pulsos (figura 1).

Observe que la señal más alta es la señal de salida (la más redondeada, de color rojo si Ud. está leyendo la versión en colores). Observe que sobrepuesta a ella se observa la señal de entrada con una menor amplitud. Esto significa que al unir ambos terminales se producirá una realimentación positiva que provocará las oscilaciones del circuito tal como lo enunciara un científico que estudió los osciladores y que se llamaba Barkhausen.

Barkhausen decía que para que un circuito oscile se deben cumplir dos condiciones. La condición de amplitud y la condición de fase. El circuito debe poseer realimentación de la salida a la entrada y esa realimentación debe ser tal, que abriendo el circuito una señal aplicada a la entrada debe retornar desde la salida con una amplitud idéntica a la señal aplicada (condición de amplitud). Además esas señales deben estar en fase (condición de fase). Si esas condiciones se cumplen, el amplificador está justo en la condición de oscilación.

Por supuesto que en todos los osciladores se hace regresar una señal algo más grande que la aplicada para asegurarse la oscilación. De cualquier modo hay que aclarar que no es conveniente exagerar, porque cuando la señal es demasiado grande se producen distorsiones, salvo que se trate de osciladores no sinusoidales en donde la señal realimentada puede ser muchas veces más alta que la necesaria.

Además de los bloques de medición y control, existe un bloque que llamaremos de arranque y sirve para generar una primer señal, que la realimentación devuelve con mayor amplitud. En varios ciclos la señal tendrá una amplitud suficiente como para que el oscilador funcione permanentemente y el sistema de arranque ya no tenga necesidad de existir.

El lector curioso habrá observado desde el artículo anterior, la existencia del resistor R1. Este resistor es el resistor de arranque de nuestra fuente y es de fundamental importancia para el funcionamiento de la misma. Todas las fuentes pulsadas requieren algún sistema de arranque para comenzar las oscilaciones. En muchos casos una vez establecidas las mismas, el sistema de arranque se levanta del circuito para que no consuma potencia. En otros, como el nuestro, se deja conectado permanentemente aceptando la potencia desperdiciada.

En la figura 2 se puede observar el comienzo de las oscilaciones sobre los oscilogramas de colector (arriba) y de base (abajo) del transistor llave. Observe que al conectar la fuente se establece una tensión de 915mV en la base que comienza a hacer crecer muy lentamente la corriente por el transistor reduciendo la tensión de colector. Esta reducción aumenta la tensión en el secundario de realimentación, precipitando los acontecimientos. La tensión de base crecerá cada vez más rápidamente hasta que el transistor se satura (oscilograma inferior en rojo).

Comenzadas las oscilaciones podemos olvidarnos del resistor de arranque. Ahora el transistor permanecerá saturado mientras dure alta la tensión del bobinado de realimentación y esto depende del estado de carga del capacitor de base y de la saturación del núcleo del transformador. Cuando el mismo se cargue o el núcleo se sature, se reducirá la corriente por la base y el transistor se cortará rápidamente levantando la tensión de colector por encima del valor de fuente. En este estado, la tensión del bobinado de realimentación se hará fuertemente negativa y el capacitor de base se cargará negativamente haciendo circular corriente por el diodo D2. Este estado de corte tiene una duración que depende de la energía magnética acumulada en el transformador. Cuando dicha energía se agote, la tensión negativa del secundario de realimentación se reducirá y comenzará un nuevo ciclo de saturación.

 
LA ETAPA DE CONTROL
Una etapa de control de una fuente debe tomar la tensión continua de la salida, compararla con una referencia estable (un zener por lo general) y modificar el período de actividad en función del resultado de la comparación. Si la tensión es alta, debe reducir el período de actividad. Si es baja debe aumentarlo. Toda esta operación se debe realizar manteniendo aisladas las masas de la salida y de la entrada, es decir con buena aislación galvánica. En nuestra fuente experimental, conectamos tanto el secundario como el primario a la misma masa, para no tener problemas con el retorno de los instrumentos. En la realidad basta con que el bobinado de realimentación tenga una masa aislada para conectarla a la masa del primario; el secundario de salida tendrá su propia masa aislada del primario y del bobinado de realimentación. Así son las cosas nuestro dispositivo fuente tendrá aislación galvánica permitiendo por ejemplo el uso de conectores de audio y video.

En la vida real, la aislación se consigue con un acoplamiento por optoacoplador desde la tensión de salida a la etapa de control. Como el Workbench 5.1, con el cual fue diseñada la fuente educacional (tenga en cuenta que también puede hacerlo con el Livewire, más económico y fácil de usar), no tiene en su librería un optoacoplador, utilizamos una fuente de corriente controlada por tensión con la cual se puede construir un optoacoplador virtual. En efecto, un optoacoplador es una combinación de un led infrarrojo como entrada y un optotransistor como salida. El optotransistor no deja de ser un transistor y por lo tanto se puede reemplazar con una fuente de corriente. En el control de la misma utilizamos un resistor que representa el consumo del led.

En la figura 3 se puede observar nuestra fuente completa con optoacoplador simulado y realimentación positiva sobre el transistor llave. Póngala a funcionar y observará que en 1,5 ms regulará en 112V.

Para que el transistor de control Q3 conduzca, se deben cumplir dos condiciones; por un lado la base debe tener alguna corriente en directa y el colector debe ser positivo con respecto al emisor. La tensión de colector está derivada en parte desde el bobinado de realimentación y en parte desde la fuente primaria. Un oscilograma sobre este colector, tomando como referencia el colector del transistor llave, nos permite observar que la red RC conforma una onda cuasi diente de sierra sobre R9 + C7. Ver la figura 4.

La condición de tensión positiva sobre el colector sólo se cumple al final del diente de sierra. Si en ese momento la tensión de salida supera los 112V del diodo zener, el optoacoplador simulado genera corriente por la base y el transistor Q3 conduce levantando la tensión de emisor. Cuando la tensión de emisor de Q3 aumenta, conduce el transistor driver Q2 y cortocircuita la juntura base emisor del transistor llave, adelantando el final de la conducción.

En la figura 5 se puede observar el mismo oscilograma, pero con una base de tiempo mas rápida para observar el fenómeno del arranque de la fuente. En el arranque, el colector de Q3 tiene una tensión positiva adecuada para conducir; pero no lo hace porque no tiene corriente de base aportada por el optoacoplador. Un poco después (donde ubicamos el cursor 1) la tensión de la salida supera los 112V y el transistor Q3 conduce acortando el período de actividad y reduciendo de ese modo la carga del capacitor de salida C3.

Posteriormente, se observa que todos los ciclos tienen solo un pequeño sector positivo, ya que la frecuencia aumentó bruscamente, con lo cual se corrige indirectamente el período de actividad.

 
MEDICIONES DE REGULACION E INDICACIONES DE REPARACION
Nuestra fuente corrige la tensión de salida, pero no se puede esperar que esa corrección sea infinitamente grande. Es decir, que si aumento la carga, la tensión se debe reducir aunque sea levemente. En principio, debemos establecer con exactitud la corriente de carga máxima y mínima así como la tensión de entrada máxima y mínima. Si se trata de un TV de 20” por ejemplo, podemos considerar que consumirá entre 0,5 y 1A. En cuanto a la tensión de entrada deberíamos admitir entre 200 y 350V.

La medición a la tensión de entrada mínima y la carga máxima, nos da un valor de 108V que pasada a valores porcentuales indica que la fuente cayó un 4% aproximadamente. En cuanto a la medición a la máxima tensión de entrada, con la mínima carga nos encontramos con un valor de 115V, es decir de aproximadamente un 3%. Tan importante como la tensión de salida, es el valor de la frecuencia máxima a la cual se llega en el segundo caso, ya que un valor demasiado alto puede provocar elevadas pérdidas en el núcleo del transformador, o en el dispositivo usado como llave.

¿Es importante el tema de la regulación en el trabajo de reparación, o sólo es un concepto teórico útil para el ingeniero que diseña el TV?
Es sumamente útil; en efecto, muchos TVs funcionan correctamente con la tensión nominal de red, pero en cuanto la misma sube unos pocos volts, la fuente deja de regular y aplica una tensión elevada al equipo, pudiendo dañar componentes muy caros o importantes. El caso contrario es también muy común. En cuanto la tensión de red baja unos pocos volt, las fuentes defectuosas dejan de funcionar y el TV se apaga.

Por esa razón es que Ud. no debe dar por reparada una fuente hasta haberle medido la regulación y mucho menos utilizar el propio equipo como carga de la fuente. En efecto, ésa es la mejor manera de buscar problemas. En principio Ud. no puede estar seguro del funcionamiento de un equipo cuando haya encontrado que la fuente necesitaba una reparación. La fuente se puede dañar por sí sola, pero también es muy probable que se haya dañado por una falla en el resto del equipo (por ejemplo un cortocircuito o un exceso de consumo).

La tarea primordial del reparador es aislar las etapas defectuosas. Si luego puede llegar a encontrar el componente específicamente dañado puede considerar que obtuvo un éxito rotundo en su trabajo. Pero si solo puede llegar a varios sospechosos de poco precio, no debe dudar en cambiarlos a todos. Luego si siente curiosidad podrá medirlos y determinar cuál es el verdadero culpable de la falla.

 
CONCLUSIONES
Con este artículo terminamos la primera parte de la serie de fuentes pulsadas. Hasta aquí podemos asegurar que el lector ya tiene los conocimientos necesarios para encarar la reparación de cualquier fuente pulsada del tipo que fuere.

Pero, atención, que esto no termina aquí. La reparación de fuentes pulsadas requiere un análisis cuidadoso de todas y cada una de las diferentes fuentes existentes en este momento o utilizadas en el pasado. En efecto, al taller de reparaciones no llegan sólo las fuentes de última generación. Un taller es como un museo en donde se pueden observar los últimos 25 años de la industria electrónica. Pero a diferencia del museo, todos esos dispositivos electrónicos deben volver a funcionar y en perfectas condiciones, porque para su dueño es el dispositivo que lo entretiene diariamente y él no sabe de dificultades técnicas, falta de repuestos, poca información, etc, etc... El espera que nosotros reparemos su equipo y lo hagamos económicamente y sin demoras.

En la cabeza del autor, existe un método de prueba adecuado para cada tipo de fuente. Sabemos que no es una tarea fácil, pero creemos que el tema merece atención, porque aunque el lector pretenda encontrar información al respecto, observará que es un tema que se encuentra prácticamente acéfalo.

¿Ud. conoce algún libro serio que sólo trate el tema de la reparación de fuentes pulsadas?.
Salvo algunos artículos sueltos sobre alguna fuente particular, de algún fabricante, que escribió algo casi por equivocación, no se encuentra nada más.

Es tal la cantidad de información existente, que es imposible depender sólo de un índice escrito en papel. Para estar a tono con la época actual, esa información se encuentra en un archivo de Excel que se puede bajar gratuitamente desde la red y que nosotros vamos a explicarle cómo usar con ejemplos que aparecerán en cada entrega de nuestro curso.

 
Autor: Ing. Alberto Horacio Picerno
E-mail: picernoa@fullzero.com.ar
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
 
 
 
 
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