Fuentes Conmutadas Capitulo-1

CLUB SABER ELECTRNICA 3

Introduccin

Tanto los equipos electrnicos de consumo comootros dispositivos industriales poseen circuitos cadavez ms complejos, de ms alto rendimiento y de re-ducido tamao, lo que lleva a un aumento de la inte-gracin hasta en la fuente de alimentacin.

Las fuentes de alimentacin han seguido este ca-mino, permitiendo el diseo de circuitos cada vezms confiables por medio del uso de la conmuta-cin para mejorar el rendimiento. De esta manera,las fuentes de alimentacin conmutada tambin hanevolucionado y hoy estn presentes en la mayora delos equipos electrnicos.

Una fuente de alimentacin, es todo sistema queadapta la energa disponible (la red elctrica general-mente) a las necesidades de un equipo.

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

- Rectificacin y Filtrado: Conversin de unatensin alterna en una continua.

- Estabilizacin: Minimizacin sobre la tensinde salida de las irregularidades producidas en la red(cortes de energa, variaciones de tensin, etc.) y enla carga.

- Control: Establecimiento de los parmetros quese deben presentar a la carga.

Existen fuentes de alimentacin 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 tensinentre la entrada y la salida, multiplicado por la co-rriente de carga mxima. Esto significa que la regu-lacin se consigue con un bajo rendimiento, ya queel transistor debe disipar la energa que no consumela carga, provocando prdidas elevadas que hacenque el rendimiento sea bajo.

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

Otra forma de aumentar el rendimiento y as notener que usar transformadores grandes y pesados esmediante el empleo de fuentes de alimentacin con-mutadas que utilizan un transistor de potencia enconmutacin. 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 est blo-queado, la corriente a travs de l es prcticamentenula y en estado de saturacin. La cada de tensinen sus terminales es pequea, con lo cual en todomomento la potencia disipada en el transistor con-mutador es muy baja.

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

FUNCIONAMIENTO DE LASFUENTES 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 tensin pulsada a un nivel msadecuado, aunque su uso no es siempre necesario.

A continuacin damos algunas caractersticasque diferencian a las fuentes conmutadas de unafuente lineal o regulada sencilla:

- Las fuentes conmutadas conmutan la seal arectificar con una alta frecuencia (15kHz a 1MHz)frente a los 60Hz 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 comn, obtenien-do un rendimiento muy superior.

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

- Operan con seales que tienen grandes deriva-das de tensin 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 tensin o la corriente para conmutar y dismi-nuir an ms las prdidas en conmutacin.

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

Bajo el mismo esquema topolgico que hemosexplicado recin, 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 tensin de salida y la de entradapues el transformador acerca ambos valores.

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

- El uso del transformador significa una aisla-cin galvnica entre la entrada y la salida, evitandoas 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 tamao y peso elevado.- Aumentan las prdidas por histresis y foucauld

(se generan prdidas en calor).

Las fuentes conmutadas generalmente puedenoperar de dos maneras, dependiendo de la forma quetenga la corriente por la bobina. Si durante cada pe-rodo 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

REPARACIN DE TELEVISORES DE ULTIMA GENERACIN

Figura 2

FUNCIONAMIENTO DE LAS LAS FUENTES CONMUTADAS


entre la tensin de salida y la carga, lo cual hace queno tengamos una regulacin perfecta.

Para minimizar esta dependencia se emplean re-cursos en el camino de la realimentacin (trabajandoen lazo cerrado). Para ello se debe comparar la ten-sin que desebamos a la salida, con la que hay, y ac-tuar en consecuencia (figura 4). Adems, con estesistema tambin se corrigen problemas que se pue-dan dar en la salida, como consecuencias de varia-ciones en la entrada (rizado, cadas de tensin, etc.).

Para cerrar el lazo de realimentacin se empleaun controlador que puede actuar de varias maneras:

- Control en Modo Tensin: se obtiene la seal decontrol por medio de una seal de error que de-pende de la diferencia entre la tensin y la referen-cia (figura 5).

- Control en Modo Corriente: La seal de error,controla el mximo valor de corriente que se em-plear para controlar la tensin en la carga median-te un circuito de gestin, 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 electrnicosse dividen en pasivos y activos,segn su forma de operacin:son pasivos aquellos que pre-sentan un comportamiento ni-co, que puede variar desde unasimple carga hasta un almacnde energa; en tanto, los ele-mentos activos son aquelloscuyo comportamiento vara enrelacin 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 aplicaslo a los componentes pasivos(tericamente lo deseable esque los componentes pasivosno presenten el fenmeno 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 oposicin 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 tensin alterna, la situacin 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 segn el compo-nente.

Cuando circula una corriente en el interior de unabobina, se produce un campo magntico, el cual nocambia de direccin fcilmente; esto significa que sia este elemento se le aplica una tensin de AC, elcampo en su interior, comienza a presentar una cier-ta oposicin al paso de la corriente en su interior. Es-te fenmeno 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 tensin del dispositivo se suma al nuevovoltaje de alimentacin, por lo que la corriente fluyems fcilmente, 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, mientrasms rpido oscile la seal de entrada, el condensadorse comportar 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 tambin se

incrementa la oposicin al paso de la corriente en suinterior.

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

Zc = 1 /( 2 . . f . C)

ZL = 2 . . f . L

donde 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 parme-tro de la frecuencia se encuentra como divisor, lo quesignifica que a mayor frecuencia existir una menorimpedancia; y por el contrario, para la bobina la fre-cuencia se encuentra como multiplicador, lo que sig-nifica que a mayor frecuencia habr mayor impedan-cia.

Y esto qu importancia tiene en los circuitosque estamos explicando?

La respuesta es la siguiente: al disear un trans-formador, uno de los parmetros crticos es la fre-cuencia de operacin a la que ser sometido, ya quees un factor que determina el nmero de espiras tan-to del primario como del secundario, as como el ca-libre del alambre empleado.

Por ejemplo, en el diseo de un transformador debaja frecuencia (digamos 50Hz), se precisa de un n-mero elevado de espiras en el lado primario, paraevitar que circule por este segmento un gran flujo decorriente que pueda daar 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 adems, se requiere que este trans-formador sea capaz de trabajar en distintas regioneso pases, deben colocarse bobinados adicionales pa-ra que a su entrada se puedan conectar lneas de ACde 110, 120, 220 240 volt, segn el caso, incremen-tndose an ms el peso y volumen del dispositivo.

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

Justamente, lo que se pretende en las fuentes queutilizan conmutador, es alcanzar una frecuencia deoscilacin muy superior a la que se dispone en la l-nea de alimentacin, de ah la configuracin presen-tada anteriormente.

Sin embargo, se presenta un pequeo inconve-niente: las lminas convencionales empleadas en laconstruccin del ncleo de los transformadores tradi-cionales, no son capaces de responder con la sufi-ciente rapidez al elevar la frecuencia de la seal ma-nejada por encima de los 200Hz, por lo que debenemplearse otros materiales como la ferrita. Pero a suvez, los ncleos de ferrita no son elementos fcilesde obtener (de hecho, existen pocas compaas a ni-vel mundial que los producen), por lo que resultanconsiderablemente ms caros que los ncleos con-vencionales.

Pero an ms, el circuito conmutador y el de con-trol tambin incrementan el costo de las fuentes con-mutadas en relacin a las de tipo regulado simple, yde hecho esa fue la tendencia en los primeros aos enque se aplicaron estos circuitos de alimentacin a

aparatos de uso domstico. Sin embargo, con la pro-duccin masiva y el abaratamiento de los dispositi-vos electrnicos 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 tensin de alimentacin su-fra variaciones considerables. Para explicar en qu sefundamenta esta flexibilidad, es necesario recordarel concepto de tensin o voltaje promedio.

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

Este clculo se simplifica considerablementecuando en la entrada se tiene una seal pulsante deuna sola polaridad. En tal caso, la tensin promediode la seal estar dada por la frmula anexa a la fi-gura 8.

Por lo tanto, si aumenta el tiempo en que la sealest en alto y disminuye el lapso en que est en bajo,la tensin promedio se incrementar; y por el contra-rio, si aumenta el tiempo de apagado y disminuye eltiempo de encendido, la tensin promedio descende-r.

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 tensin de entrada en su totali-dad por lo que en los secundarios se tiene una tensinproporcional a ste (dependiendo de la relacin deespiras entre primario y secundario). Y por el contra-rio, (cuando el transistor se corta, no existe induc-cin en los bobinados), por lo cual a la salida no haytensin 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 alimentacin prctica-mente constante. Y aqu es donde se demuestra unaventaja adicional de las fuentes conmutadas: unaconfiguracin correctamente diseada puede evitarla necesidad de incluir reguladores de voltaje, ya quepor medio de una realimentacin entre alguna de lassalidas del transformador y el circuito controlador deconmutacin, 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 ms componentes, impli-cando un ahorro de costos. De hecho, ms adelantese muestran algunos circuitos en los que se tiene es-ta situacin.

Anteriormente hemos realizado una clasifica-cin de las fuentes conmutadas, sin embargo, pode-mos realizar una forma distinta de agruparlas aten-diendo al parmetro modificado para efectuar la re-gulacin:


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 extraccin de seales 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 seal muestra una variacinen la altura de los pulsos de salida, nos enfrentamosa una fuente PAM; si, por el contrario, lo que varaes el ancho de los pulsos, la fuente ser tipo PWM; yfinalmente, si lo que cambia es la frecuencia de ope-racin, tendremos una fuente tipo FM (figura 9).

Expliquemos ahora con mayor detalle cmo 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 cuyasituacin la tensin del embobinado es de cero. Perouna vez que este elemento se "enciende" (se satura)la tensin alcanza sbitamente 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 induccin.

La figura 10C muestra este comportamiento deascenso gradual. En teora, el valor de la corrientepodra llegar a ser infinito, aunque a partir de ciertonivel se fundiran los componentes de la fuente, encaso de no existir protecciones. Si el transistor seapaga despus de un determinado tiempo, al que lla-maremos Won (figura 10D), la corriente en el prima-rio crecer tan slo hasta ese momento, pero dadoque la inductancia acta como almacn elctrico, elflujo del primario no desaparece de improviso, per-

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

Si despus de un segundo momento (al que deno-minaremos Woff) el transistor vuelve a encenderse,nuevamente se repetir 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 ser como el de la figura 10G.

La tensin de salida mxima (Vsmax) est dadapor la relacin entre el nmero de vueltas del prima-rio y del secundario, por el valor mximo alcanzadopor la corriente del primario y por el material mag-ntico utilizado en el ncleo del transformador.

Una vez que se tiene la tensin 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 pequeo y no por ello seproducen cadas de voltaje (en la figura 11 se ejem-plifica mejor esta situacin). Este aprovechamientode los pulsos de alta frecuencia tiene una ventaja adi-cional: como los bobinados del secundario trabajanpor muy cortos perodos de tiempo, prcticamente notienen oportunidad de calentarse, por lo que unafuente conmutada trabaja ms "en fro" que una tra-dicional, disminuyendo as el riesgo de fallas.

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

LAS FUENTES CONMUTADASDE LOS TELEVISORES:PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Qu etapa de un TV o de un vdeo, lidera el campeo-nato de fallas?

La fuente de alimentacin pulsada. Qu etapa es infaltable en todos los equipos de elec-

trnica de entretenimiento?La fuente de alimentacin pulsada.

Figura 11


Cul es la etapa que ms cambios y adelantos adop-t durante los ltimos 10 aos?

La fuente de alimentacin pulsada.Qu etapa de un TV fue menos tratada en forma te-

rica y prctica por los autores?La fuente de alimentacin pulsada.Siempre la fuente...

A no dudarlo, la fuente de alimentacin de un equipomoderno es el Taln de Aquiles de los tcnicos electr-nicos. La razn es que esa etapa es siempre del tipo pulsa-da o conmutada para abaratar costos y que por fuerza, enella se desarrollan las mximas potencias elctricas delequipo. Y donde hay potencia elctrica hay calor y dondehay calor puede haber fuego, si no trabajamos con todosnuestros conocimientos y si no empleamos los adecuadosdispositivos de carga y aislacin.

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 mtodo del indio Tocapotee y es muy empleadaen la actualidad por una gran legin de tcnicos improvi-sados, aparecidos de la nada, en estas pocas de elevadondice de desempleo). Ahora bien, si uno est trabajandoen la etapa de FI puede cambiar materiales aleatoriamentey probar sin mayor peligro. Pero si cambia materiales de lafuente de alimentacin y prueba; lo ms probable es que elmaterial se queme y peor an pueden quemarse todos y ca-da uno de los circuitos integrados del TV (si por ejemplola fuente arranca sin regulacin).

Si no sabe arreglar una fuente conmutada, si no tieneun adecuado mtodo de prueba, o no posee los instrumen-tos necesarios para realizarla, abstngase de repararla, por-que un TV de ltima generacin 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 electrnica, en lugar de saludar esgrime el siguiente la-tiguillo: quiero un presupuesto exacto, porque si me salecaro no lo arreglo porque estoy muy mal econmicamen-te. En estos casos por lo general tragamos saliva y pensa-mos:

Cmo le digo a este buen hombre que si yo hago unpresupuesto exacto ya realic el 90% del trabajo porqueslo me queda cambiar el/los componentes daados?

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

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

Cmo reemplazo la fuente de alimentacin 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 comn encontrarse con equi-pos que ya fueron intentados reparar por otros tcnicos (ypor otros no tcnicos, 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 electroltico. Ahora que si Ud. no tiene un Variac o noquiere gastar 90 dlares en uno, puede hacer una fuente deltipo variac electrnico tal como veremos ms adelante. Pa-ra evitar sorpresas le decimos aqu que para reparar TVsincluyendo la fuente pulsada, Ud. debe tener una fuenteVariac electrnico, un tster digital y un tster analgicos o s, no hay alternativa. Si tiene osciloscopio, ser 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. Estarn dibuja-dos en un laboratorio virtual Workbench y/o Livewire ypodrn ser simulados en su computadora sin gasto alguno,si Ud. posee estos simuladores, ya que los archivos se po-drn bajar desde nuestra pgina web. Si Ud. tiene unWorkbench 5.1 o 6.1 (Multisim) o un LiveWire puede en-trar nuestra pgina 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 podr realizar todos los cambiosdeseados para analizar su comportamiento.

En el momento actual las fuentes son tan complicadasque muchas veces debemos recurrir a aplicar un mtodopara repararlas. En este curso Ud. aprender a generar m-todos seguros de reparacin.

Principios Fundamentales

Me gustara saber quin fue el cientfico que recibi laprimer descarga inductiva sobre su humanidad, porque se-guramente l fue el inventor de la fuente conmutada. Enefecto, cualquier estudiante curioso que est trabajandocon inductores y bateras de baja tensin, va a terminar ge-nerando alguna descarga sobre su cuerpo. Todos saben quelas bateras de baja tensin no producen descargas peligro-sas, por eso es comn manipularlas sin precaucin. Pero sisu circuito tiene algn inductor, debe tener cuidado porquetericamente no existe un lmite a la tensin que se puedagenerar. Los 12V de la batera 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 slo le indicaremos los detalles importante encada caso. Si no posee este conocimiento, lo invitamos aadquirir algn 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) slo 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 pequeo 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-lacin sea ms real se debe agregar un capacitor de 10pFsobre la llave, como se puede observar en la figura 13.Adems se debe ajustar el tiempo de simulacin haciendoclick en la solapa tool > simulation > timming control yajustar all la ventana "time base" en 1sS. Luego se debenajustar los ejes del grfico a + - 1kV y a 120S. Por lti-mo, la llave pulsador debe predisponerse para ser opera-da con la tecla A aunque tambin puede operarse con elmouse haciendo click sobre ella.

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

conectado un osciloscopio so-bre la llave. Por defecto, el os-ciloscopio est 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 demorar 5 segundos en llegar a la de-recha de la pantalla (de acuerdo a la computadora que estusando), 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 ms complicado, el programa tardams en realizar los clculos y la graficacin. Entonces elreloj del experimento avanzar ms lentamente, de modoque para graficar un segundo de la experiencia virtual sepueden tardar 10, 20 o ms 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 elbotn de la izquierda, all comenzar a operar la llave; loque ocurri 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 fenmeno inesperado pero explicable. Ocu-rre que un inductor es un componente reactivo del tipo delos capacitores, y un componente reactivo acumula e inter-cambia energa. El capacitor guarda esa energa en forma

de energa elctrica yel inductor en formade energa magnti-ca. La energa puedeser acumulada lenta-mente y luego serextrada 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-o de fuentes pulsa-

Figura 12

Figura 13

das. Observe el lector que lastensiones se consiguen comoefecto de transferencias deenergas 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-racin de calor, la transforma-cin se realiza con un psimorendimiento y slo pueden serrealizadas en sentido descen-dentes de las tensiones (si a una fuente de 12V se le conec-ta un divisor resistivo slo se puede esperar que la tensinbaje).

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

Qu valor tendr esa corriente inicial? Sin ninguna duda debe comenzar con un valor nulo

que se va incrementando poco a poco.La razn es muy simple: un capacitor se opone a los

cambios de tensin sobre sus placas. Si est cargado con100V y lo quiero descargar con un resistor observaremosque la tensin slo cambia gradualmente. Al mismo tiem-po puedo observar que si no conecto ningun resistor sobrel; es capaz de mantenerse cargado por un largo periodo detiempo, lo cual significa que su resistencia de aislacin esmuy alta (tenga en cuenta que un capacitor real es muy pa-recido a uno ideal). Como una importante conclusin po-demos decir que un capacitor se opone a los cambios detensin.

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

Llegado a este punto, el lector estar pensando que re-cuerda muchas manifestaciones de la vida diaria del capa-citor como acumulador de energa, pero no recuerda ni unasola del inductor. Por ejemplo, muchas veces recibi unadescarga por andar manipulando algn capacitor que habaquedado cargado desde mucho tiempo atrs. Pero no re-cuerda que algn inductor le haya producido ningn efec-to por alguna carga recibida con anterioridad. Por lo tantoparece que los inductores no son capaces de acumularenerga.

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

mente y B) para que mantengan acumulada la energamagntica 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 antagni-cos en todo. El capacitor necesita que las cargas acumula-das estn quietas en el dielctrico y por eso se lo mantieneabierto. En cambio el inductor necesita que las cargas cir-culen para producir un campo magntico y por eso se lodebe mantener en cortocircuito.

Volvamos a nuestro experimento virtual para afianzarel conocimiento adquirido. Qu 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 prctica. Generanuna mayor tensin que ahora puede llegar a los 10kV oms (figura 14).

Por qu razn la sobretensin generada depende deltiempo en que la llave est cerrada?

Es as porque la corriente se establece lentamente y elcampo magntico acumulado depende de la corriente cir-culante. As se produce algo similar a lo que ocurre con elcapacitor, en donde la energa elctrica acumulada depen-de de la tensin a la que fue cargado. Por lo tanto, si la lla-ve slo se cierra un tiempo mnimo, el campo magnticoacumulado tambin ser mnimo y la manifestacin de es-te campo al abrir la llave, ser prcticamente inexistente.El pequeo resistor de 1 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 estn superpuestos.

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



Figura 14



nal al valor de inductancia y a lacorriente final. Nos queda pordeterminar qu ocurre si llega-mos al mismo valor de corrientefinal cambiando el valor de latensin de fuente en lugar decambiar el tiempo en que la lla-ve est cerrada. Cambie la ten-sin de fuente por un valor 10veces menor y vuelva a probar.Se observar que la sobreten-sin hace caso omiso a cmo sellegue al valor final de corrien-te, slo depender de ese valorfinal.

Ahora conocemos el fen-meno y sabemos cmo variarlo,pero an no explicamos cmo seproduce esa sobretensin. Esmuy simple y fcil de compren-der. El inductor se opone a quecambie el valor de corriente cir-culante por el circuito.

Mientras la llave est 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 prcticamente infinito. En el circuito que utiliza-mos el inductor es ideal y no tiene resistencia.

La nica resistencia existente es la agregada de 1evidentemente despreciable. El inductor, por lo tanto, tratade modificar la tensin para que siga circulando 1A y ge-nera una sobretensin sobre la llave abierta, con el fin deque circule corriente por un circuito abierto. En la prcticase llega a generar tal tensin, que se produce un arco en lallave (observe cmo las leyes de la electrnica tratan decumplirse an 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 ms norma-les. Por ejemplo, es conveniente cambiar el valor de L por1Hy y el de la resistencia en serie por 0,001. De este mo-do, si abrimos la llave cuando la tensin sobre el resistoren serie es de 1mV podemos estar seguros de que la co-rriente de corte es de 1 (vea la figura 16).

La Forma de la Seal de Sobretensin

Hasta ahora slo observamos la sobretensin como unpulso sin detalles. Lleg la hora de expandir la escala hori-

zontal del osciloscopio para observar cul es la ley de varia-cin de la tensin. En principio debe considerar que el osci-loscopio de su WB tiene memoria, lo cual facilita las obser-vaciones de nuestro fenmeno (se trata de un fenmeno queno es repetitivo). En efecto, si fuera repetitivo podramosutilizar el sincronismo de la base de tiempo (que opera co-mo el sincronismo de cualquier osciloscopio real) para de-tener las imgenes. Nosotros vamos a emplear el carcter deosciloscopio con memoria para detenerla. Simplemente ter-mine la simulacin con la llave general de la mesa, ampleel osciloscopio y ubique el pulso de sobretensin sobre lapantalla con el cursor que se encuentra debajo de la misma(figura 17).

Es como si volviramos el tiempo atrs y lo ubicra-mos donde ms nos interesa. Inclusive podemos variar lasescalas para obtener imgenes 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; slo 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).

Aqu tenemos un interesante efecto de transferencia deenerga y disipacin, que debemos analizar con todo dete-

Figura 15

Figura 16


nimiento. En principio, ste, 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-

tomvil. Todo comienza cuandolos platinos se cierran. All co-mienza a circular una corrientecreciente. En ese momento elcapacitor est en cortocircuito ypor lo tanto descargado. Cuan-do el platino se abre, el inductortiene su mxima energa en for-ma de campo magntico. El in-ductor tiene dos componentesconectados sobre l; un resistory un capacitor. En principio puede olvidarse delresistor, que analizaremos mstarde. 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 tensin sobre elcapacitor que se hace mximacuando el inductor entreg todala energa que tena acumulada(la corriente es igual a cero y sepuede decir que campo magn-tico y corriente son proporcio-nales). All no termina el fenmeno,ahora es el capacitor el que estplenamente cargado y por lotanto lleno de energa. Esa ten-sin queda aplicada al inductory por el comienza a circular unacorriente en el sentido contrarioal anterior. Si no existiera el resistor de1k los intercambios de ener-ga magntica (L) y elctrica(C) se produciran sin prdida yduraran una eternidad. Pero elresistor existe y en cada ciclotransforma energa en calor ha-ciendo que los picos mximossean cada vez ms pequeoshasta llegar a cero. Esta seal

tiene nombre, se llama oscilatoria amortiguada y es el in-tercambio de energas que sigue la ley ms comn de la f-sica.


Figura 17

Figura 18

Figura 19

Fuentes Conmutadas Capitulo-1

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