Capitulo 1 - Fuentes Conmutadas

CLUB SABER ELECTRÓNICA 3

Introducción

Tanto los equipos electrónicos de consumo comootros dispositivos industriales poseen circuitos cadavez más complejos, de más alto rendimiento y de re-ducido tamaño, lo que lleva a un aumento de la inte-gración hasta en la fuente de alimentación.

Las fuentes de alimentación han seguido este ca-mino, permitiendo el diseño de circuitos cada vezmás confiables por medio del uso de la “conmuta-ción” para mejorar el rendimiento. De esta manera,las fuentes de alimentación conmutada también hanevolucionado y hoy están presentes en la mayoría delos equipos electrónicos.

Una fuente de alimentación, es todo sistema queadapta la energía disponible (la red eléctrica general-mente) a las necesidades de un equipo.

Toda fuente de alimentación debe cumplir las si-guientes tareas:

- Rectificación y Filtrado: Conversión de unatensión alterna en una continua.

- Estabilización: Minimización sobre la tensiónde salida de las irregularidades producidas en la red(cortes de energía, variaciones de tensión, etc.) y enla carga.

- Control: Establecimiento de los parámetros quese 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 po-tencia igual al producto de la diferencia de tensiónentre la entrada y la salida, multiplicado por la co-rriente de carga máxima. Esto significa que la regu-lación se consigue con un bajo rendimiento, ya queel transistor debe disipar la energía que no consumela carga, provocando pérdidas elevadas que hacenque el rendimiento sea bajo.

Para minimizar las pérdidas y así tener un rendi-miento mayor, se coloca en la entrada de la fuente li-neal un transformador reductor de la tensión de red,para que la tensión aplicada al transistor regulador seacerque a la de salida (figura 1).

Otra forma de aumentar el rendimiento y así notener que usar transformadores grandes y pesados esmediante el empleo de fuentes de alimentación con-mutadas que utilizan un transistor de potencia enconmutación. De esta forma la potencia disipada enel transistor es muy inferior a la disipada en las fuen-tes lineales (figura 2).

En estas fuentes, cuando el transistor está blo-queado, la corriente a través de él es prácticamentenula y en estado de saturación. La caída de tensiónen sus terminales es pequeña, con lo cual en todomomento la potencia disipada en el transistor con-mutador es muy baja.

En estas fuentes, la tensión de red se rectifica yfiltra directamente (sin el uso de un transformador),posteriormente se “muestrea” o conmuta mediante el

FUNCIONAMIENTO DE LAS

FUENTES CONMUTADAS

Figura 1

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transistor conmutador y por medio de un filtro L-Cse obtiene el nivel medio de la onda pulsada.

Algunas fuentes conmutadas poseen un transfor-mador que adapta la tensión pulsada a un nivel másadecuado, aunque su uso no es siempre necesario.

A continuación damos algunas característicasque diferencian a las fuentes conmutadas de unafuente lineal o regulada sencilla:

- Las fuentes conmutadas conmutan la señal arectificar con una alta frecuencia (15kHz a 1MHz)frente a los 60Hz ó 50Hz de las fuentes lineales, conlo cual se reducen las dimensiones de los elementosreactivos (bobinas, condensadores o capacitores, ytransformadores).

- El transistor conmutador disipa menos poten-cia que el regulador de una fuente común, obtenien-do un rendimiento muy superior.

- Las fuentes conmutadas tienen más componen-tes que las reguladas, lo que acarrea una menor fia-bilidad y un diseño más complicado.

- Operan con señales que tienen grandes deriva-das de tensión y corriente (dv/dt, di/dt) por lo queabundan los ruidos y se produce un rizado (ripple)considerable.

- Normalmente las fuentes conmutadas necesitancarga 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 fuentesconmutadas, pero en principio las podemos dividiren:

- Forzadas- Resonantes

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

de la tensión o la corriente para conmutar y dismi-nuir aún más las pérdidas en conmutación.

Las fuentes forzadas sin transformador, a su vezpueden ser directas donde la energía se transmite di-rectamente a la carga, o indirectas, y se caracterizanporque en un principio la energía se almacena en uncomponente magnético y/o capacitivo y posterior-mente se transmite a la carga.

Bajo el mismo esquema topológico que hemosexplicado recién, podemos tener fuentes que em-pleen transformador. El uso de transformadores a suvez posee ventajas y desventajas, las ventajas son:

- No precisa grandes bobinas cuando hay muchadiferencia entre la tensión de salida y la de entradapues el transformador acerca ambos valores.

- Se pueden colocar salidas múltiples con sola-mente un elemento conmutador.

- El uso del transformador significa una aisla-ción galvánica entre la entrada y la salida, evitandoasí 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 transfor-mador, 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 puedenoperar de dos maneras, dependiendo de la forma quetenga la corriente por la bobina. Si durante cada pe-ríodo la corriente cae a cero la fuente trabaja en mo-do de funcionamiento discontinuo. Si por el contra-rio, la corriente no cae a cero lo hace en modo defuncionamiento continuo, figura 3.

Sea cual fuere el modo de funcionamiento de unafuente conmutada, siempre existe una dependencia

REPARACIÓN DE TELEVISORES DE ULTIMA GENERACIÓN

Figura 2

FUNCIONAMIENTO DE LAS LAS FUENTES CONMUTADAS


entre la tensión de salida y la carga, lo cual hace queno tengamos una regulación perfecta.

Para minimizar esta dependencia se emplean re-cursos en el camino de la realimentación (trabajandoen lazo cerrado). Para ello se debe comparar la ten-sión que deseábamos a la salida, con la que hay, y ac-tuar en consecuencia (figura 4). Además, con estesistema también se corrigen problemas que se pue-dan dar en la salida, como consecuencias de varia-ciones en la entrada (rizado, caídas de tensión, etc.).

Para “cerrar” el lazo de realimentación se empleaun controlador que puede actuar de varias maneras:

- Control en Modo Tensión: se obtiene la señal decontrol por medio de una señal de “error” que de-pende de la diferencia entre la tensión y la referen-cia (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 median-te un circuito de gestión, que es generalmente unflip-flop. En este caso se emplea un resistor de bajovalor en el camino de la salida para sensar el valorde la corriente (figura 6).

Ahora bien, para explicar elfuncionamiento de una fuentede este tipo, recordemos quelos componentes electrónicosse dividen en pasivos y activos,según su forma de operación:son pasivos aquellos que pre-sentan un comportamiento úni-co, que puede variar desde unasimple carga hasta un almacénde energía; en tanto, los ele-mentos activos son aquelloscuyo comportamiento varía enrelación a las tensiones aplica-das. Entre los primeros tene-mos a la resistencia, al conden-sador y a la bobina, mientrasque en el segundo grupo tene-mos a los diodos, transistores ydispositivos semiconductoresen general. Justamente, el con-cepto de impedancia se aplicasólo a los componentes pasivos(teóricamente lo deseable esque los componentes pasivosno presenten el fenómeno deimpedancia).Estudiando el comportamientoen DC (continua) de estos ele-

Figura 3

Figura 4

Figura 5


mentos, se puede observar lo siguiente: la resisten-cia ofrece una cierta oposición al flujo de la corrien-te, las bobinas permiten su paso sin estorbo algunoy el condensador se comporta como un circuitoabierto una vez que ha terminado de cargarse. Sinembargo, cuando a estos componentes se les aplicauna tensión alterna, la situación cambia, ya que tan-to en el condensador como la bobina muestran uncomportamiento que recibe el nombre de impedan-cia, y que tiene un efecto particular según el compo-nente.

Cuando circula una corriente en el interior de unabobina, se produce un campo magnético, el cual nocambia de dirección fácilmente; esto significa que sia este elemento se le aplica una tensión de AC, elcampo en su interior, comienza a presentar una cier-ta oposición al paso de la corriente en su interior. Es-te fenómeno es justamente la "impedancia inducti-va".

En cambio, los condensadores se cargan en unsentido, y si en un momento dado se invierte la pola-ridad, la tensión del dispositivo se suma al nuevovoltaje de alimentación, por lo que la corriente fluyemás fácilmente, oponiendo una baja resistencia a lacorriente alterna. Este comportamiento tan peculiares lo que recibe el nombre de "impedancia capaci-tiva".

La impedancia de un condensador es inversa-mente proporcional a la frecuencia, esto es, mientrasmás rápido oscile la señal de entrada, el condensadorse comportará crecientemente como un corto-circui-to; y al contrario, una bobina tiene una impedanciadirectamente proporcional a la frecuencia aplicada,esto es, conforme aumenta la frecuencia también se

incrementa la oposición al paso de la corriente en suinterior.

La impedancia de un capacitor y una bobina secalcula de la siguiente manera:

Zc = 1 /( 2 . ππ . f . C)

ZL = 2 . ππ . f . L

donde π es igual a 3,1416; C es la capacidad delcapacitor y L es la inductancia de la bobina.

Puede observar, que en el primer caso el paráme-tro de la frecuencia se encuentra como divisor, lo quesignifica que a mayor frecuencia existirá una menorimpedancia; y por el contrario, para la bobina la fre-cuencia se encuentra como multiplicador, lo que sig-nifica que a mayor frecuencia habrá mayor impedan-cia.

¿Y esto qué importancia tiene en los circuitosque estamos explicando?

La respuesta es la siguiente: al diseñar un trans-formador, uno de los parámetros críticos es la fre-cuencia de operación a la que será sometido, ya quees un factor que determina el número de espiras tan-to del primario como del secundario, así como el ca-libre del alambre empleado.

Por ejemplo, en el diseño de un transformador debaja frecuencia (digamos 50Hz), se precisa de un nú-mero elevado de espiras en el lado primario, paraevitar que circule por este segmento un gran flujo decorriente que pueda dañar al dispositivo, por lo tan-to, si se requiere que el transformador maneje una


Figura 6



corriente apreciable, debe combinarse una magnitudconsiderable de espiras con un alambre de calibre re-lativamente grueso, lo que finalmente da por resulta-do un transformador de dimensiones muy grandes ymuy pesado. Y si además, se requiere que este trans-formador sea capaz de trabajar en distintas regioneso países, deben colocarse bobinados adicionales pa-ra que a su entrada se puedan conectar líneas de ACde 110, 120, 220 ó 240 volt, según el caso, incremen-tándose aún más el peso y volumen del dispositivo.

En cambio, un transformador que es alimentadoen su primario por una frecuencia de oscilación ele-vada, requiere de muchas menos espiras que en el ca-so contrario, lo que da por resultado un dispositivomás compacto y de menor peso, aunque con algunascaracterísticas que lo hacen especial.

Justamente, lo que se pretende en las fuentes queutilizan conmutador, es alcanzar una frecuencia deoscilación muy superior a la que se dispone en la lí-nea de alimentación, de ahí la configuración presen-tada anteriormente.

Sin embargo, se presenta un pequeño inconve-niente: las láminas convencionales empleadas en laconstrucción del núcleo de los transformadores tradi-cionales, no son capaces de responder con la sufi-ciente rapidez al elevar la frecuencia de la señal ma-nejada por encima de los 200Hz, por lo que debenemplearse otros materiales como la ferrita. Pero a suvez, los núcleos de ferrita no son elementos fácilesde obtener (de hecho, existen pocas compañías a ni-vel mundial que los producen), por lo que resultanconsiderablemente más caros que los núcleos con-vencionales.

Pero aún más, el circuito conmutador y el de con-trol también incrementan el costo de las fuentes con-mutadas en relación a las de tipo regulado simple, yde hecho esa fue la tendencia en los primeros años enque se aplicaron estos circuitos de alimentación a

aparatos de uso doméstico. Sin embargo, con la pro-ducción masiva y el abaratamiento de los dispositi-vos electrónicos en general, el costo de las fuentesconmutadas se ha ido reduciendo, incluso hasta nive-larse en algunos casos con el de las tradicionales.

Una de las principales ventajas de las fuentesconmutadas, es la posibilidad de ofrecer una salidaestable a pesar de que la tensión de alimentación su-fra variaciones considerables. Para explicar en qué sefundamenta esta flexibilidad, es necesario recordarel concepto de tensión o voltaje promedio.

Para calcular la tensión promedio o RMS, prime-ramente se aísla un solo ciclo de la frecuencia de en-trada (figura 7A); posteriormente se le da a esa señaluna forma como si hubiera atravesado por un rectifi-cador de onda completa ideal, o sea, sin pérdidas (fi-gura 7B); luego se calcula el área que existe entre lacurva y el nivel de masa (figura 7C); y por último sedivide el resultado entre el tiempo en que tarda encompletarse el período (figura 7D), de los que final-mente se deduce una tensión de DC que representafielmente al nivel de AC de la entrada.

Este cálculo se simplifica considerablementecuando en la entrada se tiene una señal pulsante deuna sola polaridad. En tal caso, la tensión promediode la señal estará dada por la fórmula anexa a la fi-gura 8.

Por lo tanto, si aumenta el tiempo en que la señalestá en alto y disminuye el lapso en que está en bajo,la tensión promedio se incrementará; y por el contra-rio, si aumenta el tiempo de apagado y disminuye eltiempo de encendido, la tensión promedio descende-rá.

Este es justamente el principio en el que se ba-san las fuentes conmutadas, al momento en que eltransistor conmutador conduce, en los extremos delprimario se aplica la tensión de entrada en su totali-dad por lo que en los secundarios se tiene una tensiónproporcional a éste (dependiendo de la relación deespiras entre primario y secundario). Y por el contra-rio, (cuando el transistor se corta, no existe induc-ción en los bobinados), por lo cual a la salida no haytensión pulsante en alta frecuencia.

Basta solamente con colocar un diodo y un con-densador de mediana capacidad, para que ese volta-

Figura 7

Figura 8


je se nivele y se expida una alimentación práctica-mente constante. Y aquí es donde se demuestra unaventaja adicional de las fuentes conmutadas: unaconfiguración correctamente diseñada puede evitarla necesidad de incluir reguladores de voltaje, ya quepor medio de una realimentación entre alguna de lassalidas del transformador y el circuito controlador deconmutación, es posible manejar el ciclo de trabajodel dispositivo conmutador, de tal forma que sea ca-paz de mantener efectivamente un nivel de voltaje ala salida sin necesidad de más componentes, impli-cando un ahorro de costos. De hecho, más adelantese muestran algunos circuitos en los que se tiene es-ta situación.

Anteriormente hemos realizado una “clasifica-ción” de las fuentes conmutadas, sin embargo, pode-mos realizar una forma distinta de agruparlas aten-diendo al parámetro modificado para efectuar la re-gulación:


Figura 9

Figura 10



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 me-diante una simple extracción de señales en el oscilos-copio, a la salida de alguno de los bobinados y co-nectando la fuente a un variac. Si al disminuir el ni-vel de AC de entrada, la señal muestra una variaciónen la altura de los pulsos de salida, nos enfrentamosa una fuente PAM; si, por el contrario, lo que varíaes el ancho de los pulsos, la fuente será tipo PWM; yfinalmente, si lo que cambia es la frecuencia de ope-ración, tendremos una fuente tipo FM (figura 9).

Expliquemos ahora con mayor detalle cómo ope-ra una fuente conmutada. Para ello, consulte los pro-cesos de la figura 10 conforme se vayan citando.

Cuando el conmutador se encuentra "apagado"(cortado) no permite el paso de la corriente, en cuyasituación la tensión del embobinado es de cero. Perouna vez que este elemento se "enciende" (se satura)la tensión alcanza súbitamente el nivel VC (10B); noobstante, por las propiedades inductivas del embobi-nado primario del transformador la corriente no apa-rece de inmediato, sino que comienza a crecer lenta-mente dependiendo del valor de la inducción.

La figura 10C muestra este comportamiento deascenso gradual. En teoría, el valor de la corrientepodría llegar a ser infinito, aunque a partir de ciertonivel se fundirían los componentes de la fuente, encaso de no existir protecciones. Si el transistor seapaga después de un determinado tiempo, al que lla-maremos Won (figura 10D), la corriente en el prima-rio crecerá tan sólo hasta ese momento, pero dadoque la inductancia actúa como almacén eléctrico, elflujo del primario no desaparece de improviso, per-

maneciendo por un tiempo a través del diodo volan-te (figura 10E).

Si después de un segundo momento (al que deno-minaremos Woff) el transistor vuelve a encenderse,nuevamente se repetirá todo el ciclo anteriormentedescrito (figura 10F).

Y como un transformador induce en su secunda-rio las variaciones de corriente observadas en su pri-mario, el resultado será como el de la figura 10G.

La tensión de salida máxima (Vsmax) está dadapor la relación entre el número de vueltas del prima-rio y del secundario, por el valor máximo alcanzadopor la corriente del primario y por el material mag-nético utilizado en el núcleo del transformador.

Una vez que se tiene la tensión a la salida, bastacon colocar un diodo y un condensador para eliminarel rizo (ripple) resultante, y como la frecuencia de lospulsos inducidos es muy alta, el valor del condensa-dor puede ser relativamente pequeño y no por ello seproducen caídas de voltaje (en la figura 11 se ejem-plifica mejor esta situación). Este aprovechamientode los pulsos de alta frecuencia tiene una ventaja adi-cional: como los bobinados del secundario trabajanpor muy cortos períodos de tiempo, prácticamente notienen oportunidad de calentarse, por lo que unafuente conmutada trabaja más "en frío" que una tra-dicional, disminuyendo así el riesgo de fallas.

Además, los bobinados cortos permiten el em-pleo de alambres más delgados que los empleados enuna fuente convencional. (Como una simple prueba,si conoce a alguien que se dedique a la reparación decomputadoras, pídale que le muestre una fuente des-tapada y chequee usted el calibre de los alambresempleados; seguramente le sorprenderá observar queson muy delgados. Y aún más cuando se entere quefuentes de 200W pueden proporcionar un máximo de23A en su línea de 5V). Gracias a esto, las fuentesconmutadas son mucho más eficientes que las de ti-po regulado: alrededor de un 90% contra un 50-60%,respectivamente.

LAS FUENTES CONMUTADAS

DE LOS TELEVISORES:PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

¿Qué etapa de un TV o de un vídeo, lidera el campeo-nato de fallas?

La fuente de alimentación pulsada. ¿Qué etapa es infaltable en todos los equipos de elec-

trónica de entretenimiento?La fuente de alimentación pulsada.

Figura 11


¿Cuál es la etapa que más cambios y adelantos adop-tó durante los últimos 10 años?

La fuente de alimentación pulsada.¿Qué etapa de un TV fue menos tratada en forma teó-

rica y práctica por los autores?La fuente de alimentación pulsada.Siempre la fuente...

A no dudarlo, la fuente de alimentación de un equipomoderno es el “Talón de Aquiles” de los técnicos electró-nicos. La razón es que esa etapa es siempre del tipo pulsa-da o conmutada para abaratar costos y que por fuerza, enella se desarrollan las máximas potencias eléctricas delequipo. Y donde hay potencia eléctrica hay calor y dondehay calor puede haber fuego, si no trabajamos con todosnuestros conocimientos y si no empleamos los adecuadosdispositivos de carga y aislación.

En la jerga se dice: “La fuente no te perdona” comoqueriendo decir que en otras etapas se puede trabajar portanteo (mis alumnos saben que a esa forma de trabajar lallamo “el método del indio Tocapotee” y es muy empleadaen la actualidad por una gran legión de técnicos improvi-sados, aparecidos de la nada, en estas épocas de elevadoíndice de desempleo). Ahora bien, si uno está trabajandoen la etapa de FI puede cambiar materiales aleatoriamentey probar sin mayor peligro. Pero si cambia materiales de lafuente de alimentación y prueba; lo más probable es que elmaterial se queme y peor aún pueden quemarse todos y ca-da uno de los circuitos integrados del TV (si por ejemplola fuente arranca sin regulación).

Si no sabe arreglar una fuente conmutada, si no tieneun adecuado método de prueba, o no posee los instrumen-tos necesarios para realizarla, absténgase de repararla, por-que un TV de última generación sale muy caro y en lostiempos que corren los clientes no abundan y son todosmuy 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 negociode electrónica, en lugar de saludar esgrime el siguiente la-tiguillo: quiero un presupuesto exacto, porque si me salecaro no lo arreglo porque estoy muy mal económicamen-te. En estos casos por lo general tragamos saliva y pensa-mos:

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

Tengo que decirle que sí, que con mucho gusto voy ahacer un presupuesto exacto, gratuito y urgente, porque elcliente siempre tiene razón y si me contrata para hacerle unservicio a cambio de dinero, él puede poner las reglas de lacontratación hasta cierto punto.

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

¿Cómo reemplazo la fuente de alimentación para sa-ber si el resto del equipo funciona o fue arrastrado a unamuerte precoz por la falla de la fuente?

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

La respuesta es que hay que poseer una fuente de po-tencia, que se arma con un Variac, un puente de diodos yun electrolítico. Ahora que si Ud. no tiene un Variac o noquiere gastar 90 dólares en uno, puede hacer una fuente deltipo variac electrónico tal como veremos más adelante. Pa-ra evitar sorpresas le decimos aquí que para reparar TVsincluyendo la fuente pulsada, Ud. debe tener una fuenteVariac electrónico, un téster digital y un téster analógicosí o sí, no hay alternativa. Si tiene osciloscopio, será degran ayuda, pero vamos a tratar de evitar su uso como ele-mento imprescindible.

Algunos de los circuitos que describiremos se mues-tran no son simples impresiones en tinta. Estarán dibuja-dos en un laboratorio virtual Workbench y/o Livewire ypodrán ser simulados en su computadora sin gasto alguno,si Ud. posee estos simuladores, ya que los archivos se po-drán bajar desde nuestra página web. Si Ud. tiene unWorkbench 5.1 o 6.1 (Multisim) o un LiveWire puede en-trar nuestra página web: www.webelectronica.com.ar ycon las claves que le daremos tomar los archivos *.ewb,msm, o .lvw y correrlos en su simulador para desplegar uncircuito “vivo” al cual le podrá realizar todos los cambiosdeseados para analizar su comportamiento.

En el momento actual las fuentes son tan complicadasque muchas veces debemos recurrir a aplicar un métodopara repararlas. En este curso Ud. aprenderá a generar mé-todos seguros de reparación.

Principios Fundamentales

Me gustaría saber quién fue el científico que recibió laprimer descarga inductiva sobre su humanidad, porque se-guramente él fue el inventor de la fuente conmutada. Enefecto, cualquier estudiante curioso que esté trabajandocon inductores y baterías de baja tensión, va a terminar ge-nerando alguna descarga sobre su cuerpo. Todos saben quelas baterías de baja tensión no producen descargas peligro-sas, por eso es común manipularlas sin precaución. Pero sisu circuito tiene algún inductor, debe tener cuidado porqueteóricamente no existe un límite a la tensión que se puedagenerar. Los 12V de la batería se pueden transformar enmiles de voltios si se utiliza un inductor adecuado.

Suponemos que Ud. tiene un conocimiento general so-bre el uso del laboratorio virtual que utiliza normalmente.Por lo tanto sólo le indicaremos los detalles importante encada caso. Si no posee este conocimiento, lo invitamos aadquirir algún libro o CD de nuestra editorial en donde se




explica su funcionamiento. Dada la gran similitud queexiste entre el EWB (Electronic Workbench), el Multisimo el LW (LiveWire) sólo le daremos indicaciones para unode ellos y realizaremos un comentario sobre las variantesnecesarias para usar los otros laboratorios virtuales.

Para empezar, vamos a armar un pequeño circuito co-mo el que mostramos en la figura 12 en Multisim y en lafigura 13 en LW para aprender los principios fundamenta-les de la fuentes pulsadas.

Nota para usuarios de LW: En el LW la llave pulsadorSW1 no es tan real como en el Multisim. Para que la simu-lación sea más real se debe agregar un capacitor de 10pFsobre la llave, como se puede observar en la figura 13.Además se debe ajustar el tiempo de simulación haciendoclick en la solapa tool > simulation > timming control yajustar allí la ventana "time base" en 1µsS. Luego se debenajustar los ejes del gráfico a + - 1kV y a 120µS. Por últi-mo, la llave “pulsador” debe predisponerse para ser opera-da con la tecla A aunque también puede operarse con elmouse haciendo click sobre ella.

Observe que sólo tenemos cuatro componentes: unabatería de 12V, una llave controlada por la barra espacia-dora del teclado, un inductor de 1mH. Además, tenemos

conectado un osciloscopio so-bre la llave. Por defecto, el os-ciloscopio está ajustado conuna base de tiempo de 0,5S/dives decir que para recorrer todala pantalla de izquierda a dere-cha demora 5S. La escala verti-cal del osciloscopio la predis-ponemos en la menor sensibili-dad posible, que es de 5kV/div,En esas condiciones encende-mos la mesa de trabajo con lallave basculante de arriba a laderecha y el experimento se po-ne en marcha. Observe que el

haz del osciloscopio demorará 5 segundos en llegar a la de-recha de la pantalla (de acuerdo a la computadora que estáusando), el tiempo real puede coincidir con el indicado enel reloj del experimento que se observa en la parte inferiora la izquierda de la pantalla del WB.

Si el circuito es más complicado, el programa tardamás en realizar los cálculos y la graficación. Entonces elreloj del experimento avanzará más lentamente, de modoque para graficar un segundo de la experiencia virtual sepueden tardar 10, 20 o más segundos reales.

Cierre la llave con la barra espaciadora durante un se-gundo y vuelva a abrirla. (Nota: si la llave no opera, lleveel puntero del mouse a la mesa de trabajo y pique con elbotón de la izquierda, allí comenzará a operar la llave; loque ocurrió es que el control seguramente se encontrabaactivo sobre el osciloscopio. Observe que cada vez queabre la llave, luego de dejarla cerrada por 1 segundo apro-ximadamente, se produce en la pantalla del osciloscopioun pulso de unos 3kV positivos seguido por otro de 3kVnegativos.

Este es un fenómeno inesperado pero explicable. Ocu-rre que un inductor es un componente reactivo del tipo delos capacitores, y un componente reactivo acumula e inter-cambia energía. El capacitor guarda esa energía en forma

de energía eléctrica yel inductor en formade energía magnéti-ca. La energía puedeser acumulada lenta-mente y luego serextraída a una granvelocidad o vicever-sa. De acuerdo al cir-cuito esto puede pro-ducir sobretensioneso tensiones reduci-das que resulten inte-resantes para el dise-ño de fuentes pulsa-

Figura 12

Figura 13

das. Observe el lector que lastensiones se consiguen comoefecto de transferencias deenergías y no como disipacio-nes en resistores. En el primercaso, si trabajamos con compo-nentes reactivos puros (capaci-tores e inductores ideales) lastransformaciones se realizancon un elevado rendimiento. Enel segundo caso, dada la gene-ración de calor, la transforma-ción se realiza con un pésimorendimiento y sólo pueden serrealizadas en sentido descen-dentes de las tensiones (si a una fuente de 12V se le conec-ta un divisor resistivo sólo se puede esperar que la tensiónbaje).

Analicemos el caso de nuestro sencillo circuito. Cuan-do la llave se cierra, comienza a circular corriente por elinductor.

¿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 con100V y lo quiero descargar con un resistor observaremosque la tensión sólo cambia gradualmente. Al mismo tiem-po puedo observar que si no conecto ningun resistor sobreél; es capaz de mantenerse cargado por un largo periodo detiempo, lo cual significa que su resistencia de aislación esmuy alta (tenga en cuenta que un capacitor real es muy pa-recido a uno ideal). Como una importante conclusión po-demos decir que un capacitor se opone a los cambios detensión.

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

Llegado a este punto, el lector estará pensando que re-cuerda muchas manifestaciones de la vida diaria del capa-citor como acumulador de energía, pero no recuerda ni unasola del inductor. Por ejemplo, muchas veces recibió unadescarga por andar manipulando algún capacitor que habíaquedado cargado desde mucho tiempo atrás. Pero no re-cuerda que algún inductor le haya producido ningún efec-to por alguna carga recibida con anterioridad. Por lo tantoparece que los inductores no son capaces de acumularenergía.

Desde luego que no es así. Hay dos hechos que nos ha-cen equivocar escandalosamente: A) un inductor real tie-nen elevadas pérdidas, por lo que se descarga muy rápida-

mente y B) para que mantengan acumulada la energíamagnética se los debe poner en cortocircuito y no en cir-cuito abierto como es el caso del inductor.

Como vemos, el inductor y el capacitor son antagóni-cos en todo. El capacitor necesita que las cargas acumula-das estén quietas en el dieléctrico y por eso se lo mantieneabierto. En cambio el inductor necesita que las cargas cir-culen para producir un campo magnético y por eso se lodebe mantener en cortocircuito.

Volvamos a nuestro experimento virtual para afianzarel conocimiento adquirido. Qué le parece que puede ocu-rrir, si en lugar de mantener la llave cerrada por un tiempode 1 segundo la mantenemos cerrada por 10 segundos. Larespuesta es evidente y se confirma en la práctica. Generanuna mayor tensión que ahora puede llegar a los 10kV omás (figura 14).

¿Por qué razón la sobretensión generada depende deltiempo en que la llave está cerrada?

Es así porque la corriente se establece lentamente y elcampo magnético acumulado depende de la corriente cir-culante. Así se produce algo similar a lo que ocurre con elcapacitor, en donde la energía eléctrica acumulada depen-de de la tensión a la que fue cargado. Por lo tanto, si la lla-ve sólo se cierra un tiempo mínimo, el campo magnéticoacumulado también será mínimo y la manifestación de es-te campo al abrir la llave, será prácticamente inexistente.El pequeño resistor de 1µΩ en serie con el inductor nospermite observar el crecimiento de la corriente con el otrohaz del osciloscopio. Vea la figura 15 en donde ambos os-cilogramas están superpuestos.

Realice varias pruebas, anotando el valor de sobreten-sión y la corriente final, hasta que pueda comprobar que lasobretensión es proporcional a la corriente final. Del mis-mo modo, deberíamos encontrar una relación entre la in-ductancia y la sobretensión. Si realizamos otras medicio-nes con un valor de inductancia 10 veces menor se podráobservar que la sobretensión es proporcional al valor de lainductancia. Ya sabemos que la sobretensión es proporcio-



Figura 14



nal al valor de inductancia y a lacorriente final. Nos queda pordeterminar qué ocurre si llega-mos al mismo valor de corrientefinal cambiando el valor de latensión de fuente en lugar decambiar el tiempo en que la lla-ve está cerrada. Cambie la ten-sión de fuente por un valor 10veces menor y vuelva a probar.Se observará que la sobreten-sión hace caso omiso a cómo sellegue al valor final de corrien-te, sólo dependerá de ese valorfinal.

Ahora conocemos el fenó-meno y sabemos cómo variarlo,pero aún no explicamos cómo seproduce esa sobretensión. Esmuy simple y fácil de compren-der. El inductor se opone a quecambie el valor de corriente cir-culante por el circuito.

Mientras la llave está cerra-da la corriente va creciendo, porejemplo hasta llegar a 1A.

Al abrir la llave se produceun cambio notable en la resis-tencia del circuito que pasa deunos pocos Ohm (en general la resistencia del bobinado) aun valor prácticamente infinito. En el circuito que utiliza-mos el inductor es ideal y no tiene resistencia.

La única resistencia existente es la agregada de 1µΩevidentemente despreciable. El inductor, por lo tanto, tratade modificar la tensión para que siga circulando 1A y ge-nera una sobretensión sobre la llave abierta, con el fin deque circule corriente por un circuito abierto. En la prácticase llega a generar tal tensión, que se produce un arco en lallave (observe cómo las leyes de la electrónica tratan decumplirse aún en las peores condiciones y si no hay resis-tor donde hacer circular corriente, se lo crea haciendo sal-tar un arco en el aire). Ahora vamos a cambiar los valoresdel circuito para obtener tensiones y corrientes más norma-les. Por ejemplo, es conveniente cambiar el valor de L por1Hy y el de la resistencia en serie por 0,001Ω. De este mo-do, si abrimos la llave cuando la tensión sobre el resistoren serie es de 1mV podemos estar seguros de que la co-rriente de corte es de 1ª (vea la figura 16).

La Forma de la Señal de Sobretensión

Hasta ahora sólo observamos la sobretensión como unpulso sin detalles. Llegó la hora de expandir la escala hori-

zontal del osciloscopio para observar cuál es la ley de varia-ción de la tensión. En principio debe considerar que el osci-loscopio de su WB tiene memoria, lo cual facilita las obser-vaciones de nuestro fenómeno (se trata de un fenómeno queno es repetitivo). En efecto, si fuera repetitivo podríamosutilizar el sincronismo de la base de tiempo (que opera co-mo el sincronismo de cualquier osciloscopio real) para de-tener las imágenes. Nosotros vamos a emplear el carácter deosciloscopio con memoria para detenerla. Simplemente ter-mine la simulación con la llave general de la mesa, amplíeel osciloscopio y ubique el pulso de sobretensión sobre lapantalla con el cursor que se encuentra debajo de la misma(figura 17).

Es como si volviéramos el tiempo atrás y lo ubicára-mos donde más nos interesa. Inclusive podemos variar lasescalas para obtener imágenes ampliadas en el tiempo ocon mayor sensibilidad vertical. Esto es lo que hicimos enla figura 18. Observe la forma de onda inferior (corriente).Vea que no tiene cambios bruscos; sólo que cuando la lla-ve se abre, la corriente que estaba aumentando comienza adisminuir exponencialmente hasta hacerse nula. Para com-pletar el ejercicio vamos a agregar un capacitor sobre lallave (figura 19).

Aquí tenemos un interesante efecto de transferencia deenergía y disipación, que debemos analizar con todo dete-

Figura 15

Figura 16


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

tomóvil. Todo comienza cuandolos platinos se cierran. Allí co-mienza a circular una corrientecreciente. En ese momento elcapacitor está en cortocircuito ypor lo tanto descargado. Cuan-do el platino se abre, el inductortiene su máxima energía en for-ma de campo magnético. El in-ductor tiene dos componentesconectados sobre él; un resistory un capacitor. En principio puede olvidarse delresistor, que analizaremos mástarde. El inductor debe mante-ner la corriente circulando y lohace utilizando al capacitor.Cuando un capacitor es recorri-do por una corriente, se carga.El resultado es que comienza aaparecer una tensión sobre elcapacitor que se hace máximacuando el inductor entregó todala energía que tenía acumulada(la corriente es igual a cero y sepuede decir que campo magné-tico y corriente son proporcio-nales). Allí no termina el fenómeno,ahora es el capacitor el que estáplenamente cargado y por lotanto lleno de energía. Esa ten-sión queda aplicada al inductory por el comienza a circular unacorriente en el sentido contrarioal anterior. Si no existiera el resistor de1kΩ los intercambios de ener-gía magnética (L) y eléctrica(C) se producirían sin pérdida ydurarían una eternidad. Pero elresistor existe y en cada ciclotransforma energía en calor ha-ciendo que los picos máximossean cada vez más pequeñoshasta llegar a cero. Esta señal

tiene nombre, se llama oscilatoria amortiguada y es el in-tercambio de energías que sigue la ley más común de la fí-sica.


Figura 17

Figura 18

Figura 19

Capitulo 1 - Fuentes Conmutadas

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