saber electronica

Fuentes Conmutadas

Service de Equipos Electrnicos 33

Fundamentos de las

Fuentes ConmutadasEn el momento actual las fuentes son tan complicadas que muchas veces debemos recu-

rrir a diferentes mtodos para repararlas. Pretendemos que Ud. genere mtodos seguros

de reparacin. Pero existe una ayuda invalorable en las asociaciones de tcnicos; hoy un

profesional que no visite asiduamente un foro como por ejemplo YoReparo.com no

puede reparar nada, se acabaron los tiempos del tcnico solitario que reparaba de memo-

ria. Yo mismo no me animo a encarar un simple TV a TRC moderno si no tengo el corres-

pondiente manual de servicio del Club de Diagramas. Ahora bien, a la hora de escribir este

material me gustara saber quien fue el cientfico que recibi la primer descarga inductiva

sobre su humanidad, porque seguramente l fue el inventor de la fuente conmutada. En

efecto, cualquier estudiante curioso que est trabajando con inductores y bateras de baja

tensin, va a terminar generando alguna descarga sobre su cuerpo. Todos saben que las

bateras de baja tensin no producen descargas peligrosas, por eso es comn manipular-

las sin precaucin. Pero si su circuito tiene algn inductor, debe tener cuidado porque te-

ricamente no existe un limite a la tensin que se pueda generar. Los 12V de la batera se

pueden transformar en miles de voltios si se utiliza un inductor adecuado y esa es la base

de las fuentes conmutadas.

Coordinacin: Ing. Horacio Daniel Vallejo - [email protected] base a informes de: Ing. Alberto H. Picerno

Manual - Fuentes.qxd:*Cap 4 - telefonia 18/12/13 17:45 Page 33

La BiBLia de Las Fuentes Conmutadas

IntroDuCCIn

Si Ud. quiere medir la resistencia del primariode un transformador de alimentacin con el mul-tmetro y mantiene unido un cable del primario ala punta del multmetro con una mano y el otrocable a la otra punta del multmetro con la otramano; es muy probable que al abrir el circuitoreciba una descarga.

Suponemos que Ud. tiene un conocimientogeneral sobre el uso del laboratorio virtual queutiliza normalmente. Si no es as lo invitamos aque estudie las lecciones de Simuladores deCircuitos en Electrnica Completa disponiblesen http://electronicacompleta.com/simuladores-de-circuitos/ que seguramente lo va a ayudar adar sus primeros pasos.

Para empezar, vamos a armar un pequeocircuito como el que mostramos en la figura 1 enMultisim y en la figura 2 en LiveWire para apren-der los principios fundamentales de las fuentesconmutadas. La idea es usar slo una llave, uninductor y una batera de 1V. Pero como las lla-ves de los laboratorios virtuales tienen una resis-tencia infinita cuando estn abiertas, la completa-mos con un resistor de 10M en paralelo y unresistor de 1m en serie que adems nos sirvepara medir la corriente por el circuito.

El osciloscopio que nos permitir ver las sea-les que se desarrollan tiene dos canales. Conuno medimos la tensin sobre la llave (rojo) y conel otro la corriente circulante por el circuito(verde).

Nota para usuarios de LiveWire: En el

LiveWire no es necesario agregar el resistor en

paralelo. Se debe ajustar el tiempo de simulacin

entrando en la solapa: tool simulation timing control y ajustar all la ventana time base

en 1S. Luego se deben ajustar los ejes del gr-

fico a + - 1kV y a 120S. Por ltimo la llave pul-

sador debe predisponerse para ser operada con

la tecla A aunque tambin puede operarse con el

mouse haciendo clic sobre ella.

Observe que solo tenemos cinco componen-tes: una batera de 1V, una llave controlada por labarra espaciadora del teclado con un resistor enparalelo y un inductor de 1Hy. Adems, tenemosconectado un osciloscopio sobre la llave. Ud.debe ajustar la base de tiempo del osciloscopio a200 mS/div es decir que para recorrer toda lapantalla de izquierda a derecha demora 2 segun-dos. La escala vertical del osciloscopio la predis-ponemos en una baja sensibilidad de por ejemplo10kV/div. En esas condiciones encendemos lamesa de trabajo y el experimento se pone enmarcha. Observe que el haz del osciloscopiodemorar mas de 1 segundo en llegar al centrode la pantalla (de acuerdo a la computadora queest usando) el tiempo real puede no coincidircon el indicado en el reloj del experimento que seobserva en la parte inferior a la izquierda de lapantalla del Multisim.

Si el circuito es ms complicado el programatarda ms en realizar los clculos y la graficacin.Entonces el reloj del experimento avanzar ms

34 Service de Equipos Electrnicos

Figura 1 - Archivo hecho en Multisim para aprender los fundamentos de las fuentes conmutadas.


Fundamentos de Las Fuentes Conmutadas

lentamente, de modo que para graficar un segun-do de la experiencia virtual se pueden tardar 10,20 o ms segundos reales.

Primero vamos a analizar de qu depende elcrecimiento de la corriente. Comience con la llavecerrada y observe que la corriente aumenta arazn de 1A x segundo y que al abrir la llave seproduce un pulso positivo muy alto y luego otronegativo muy alto (en realidad es imposible sabercul es el primero). Cambie el valor del inductor a500 mHy y ver que ahora cambia a razn de 2Ax segundo y el pulso sigue siendo muy alto.Vuelva al inductor de 1H (un Henry) cambie labatera a 2V y ver que la corriente aumenta arazn de 2A x segundo Esto significa que la velo-cidad de crecimiento de la corriente vara enforma directamente proporcional a la tensin apli-cada e inversamente proporcional a la inductan-cia del inductor. Y que si a un inductor de 1H sele aplica una tensin de 1V la corriente crece a1A en un segundo.

Estas relaciones son muy importantes en eltrabajo con fuentes conmutadas y le recomenda-mos al lector que cambie valores en el circuito yvea los resultados hasta familiarizarse con eltema. Cierre la llave con la barra espaciadoradurante diferentes tiempos y vuelva a abrirla.

Nota: si la llave no opera, lleve el puntero del

mouse a la mesa de trabajo y pique con el botn

de la izquierda, all comenzar a operar la llave;

lo que ocurri es que el control seguramente se

encontraba activo sobre el osciloscopio.

Observe que cada vez que abre la llave, luegode dejarla cerrada, se produce en la pantalla delosciloscopio un pulso de diferente tensin y quehay una relacin directa entre tiempo de llavecerrada y sobretensin.

Este es un fenmeno inesperado pero expli-cable. Ocurre que un inductor es un componentereactivo del tipo de los capacitores, y un compo-nente reactivo acumula e intercambia energa. Elcapacitor guarda esa energa en forma de ener-ga elctrica y el inductor en forma de energamagntica.

La energa se acumula lentamente a medidaque crece la corriente y luego puede ser extradaa una gran velocidad o viceversa. De acuerdo alcircuito esto puede producir sobretensiones otensiones reducidas que resulten interesantespara el diseo de fuentes conmutadas. Observeel lector que las tensiones se consiguen comoefecto de transferencias de energas y no comodisipaciones en resistores. En el primer caso, sitrabajamos con componentes reactivos puros(capacitores e inductores ideales) las transforma-ciones se realizan con un elevado rendimiento.En el segundo caso, dada la generacin de calor,la transformacin se realiza con un psimo rendi-miento y slo pueden ser realizadas en sentidodescendentes de las tensiones (si a una fuentede 12V se le conecta un divisor resistivo slo sepuede esperar que la tensin baje).

Analicemos el caso de nuestro sencillo circui-to. Cuando la llave se cierra, comienza a circularcorriente por el inductor.


Figura 2 - Archivo hecho en LiveWire para aprender los fundamentos de

las fuentes conmutadas.



Qu valor tendr esa corriente inicial?

Sin ninguna duda debe comenzar con unvalor nulo que se va incrementando poco a poco.

La razn es muy simple y similar al capacitor,que se opone a los cambios de tensin sobre susplacas. Si est cargado con 100V y lo queremosdescargar con un resistor observaremos que latensin solo cambia gradualmente. Al mismotiempo puedo observar que si no conect ningnresistor sobre l; es capaz de mantenerse carga-do por un largo periodo de tiempo lo cual signifi-ca que su resistencia de aislacin es muy alta(tenga en cuenta que un capacitor real es muyparecido a uno ideal). Como una importante con-clusin podemos decir que un capacitor se oponea los cambios de tensin.

El inductor es casi como la contrapartida delcapacitor. Se opone a los cambios de corriente ylo hace de la nica manera posible; generandofuerzas contraelectromotrices, es decir que gene-ra una tensin que a su vez genera una corrientepor el mismo inductor que se opone al cambio dela corriente original. En nuestro circuito la corrien-te sube por ejemplo hasta 1A y en ese momentoabrimos la llave. Es evidente que al faltar la fuen-te de energa la corriente no puede seguir subien-do; pero el inductor no puede permitir que secorte; por lo tanto se va a reducir y al hacerlo vaa generar una tensin sobre l que aplicada alresistor de fuga generar una corriente algomenor a 1A y descendente. La velocidad del des-censo depende del circuito externo al inductor. Sisolo tiene la resistencia de 10M debe generar

una tensin dada por la ley de Ohm de V = I x R= 10MV. En la simulacin es menor (200kV) por-que la llave tiene cierta capacidad parsita quemodifica el circuito.

Llegado a este punto el lector estar pensan-do que recuerda muchas manifestaciones de lavida diaria del capacitor como acumulador deenerga, pero no recuerda ni una sola del induc-tor. Por ejemplo muchas veces recibi una des-carga por andar manipulando algn capacitor quehaba quedado cargado desde mucho tiempoatrs. Pero no recuerda que algn inductor lehaya producido ningn efecto por alguna cargarecibida con anterioridad. Por lo tanto parece quelos inductores no son capaces de acumular ener-ga.

Desde luego que no es as. Hay dos hechosque nos hacen equivocar escandalosamente:

* Un inductor real tiene elevadas prdidas, por

lo que se descarga muy rpidamente.

* Para que mantengan acumulada la energa

magntica se los debe poner en cortocircuito y no

en circuito abierto como es el caso del capacitor.

Como vemos el inductor y el capacitor sonantagnicos en todo. El capacitor necesita quelas cargas acumuladas estn quietas en el die-lctrico y por eso se lo mantiene abierto. En cam-bio el inductor necesita que las cargas circulenpara producir un campo magntico y por eso selo debe mantener en cortocircuito. Si las cargasse detienen no generan campo magntico.


Figura 3 - Otra corriente final implica otra sobretensin.



En EEUU se construy un inductor con unsuperconductor sumergido en helio lquido (amuy baja temperatura). Se le hizo circular unacorriente y luego se lo cortocircuit. Y ese induc-tor viajo en avin por todas las universidades deEEUU para demostrar la teora. Como no tene-mos el suficiente dinero para realizar la mismaexperiencia yo le pido que me crea: un inductorideal es capaz de mantener un campo magnticoque lo rodee sin necesidad de consumir energa.

Volvamos a nuestro experimento virtual paraafianzar el conocimiento adquirido.

Qu le parece que puede ocurrir, si en lugar

de mantener la llave cerrada por un tiempo de 1

segundo la mantenemos cerrada por menos

tiempo?

La respuesta es evidente y se confirma en laprctica. Como la corriente tiene menos tiempopara crecer el inductor genera una menor tensinal abrirse la llave, que ahora llega a los 120kV,figura 3.

Este fenmeno es el mas importante de lasfuentes conmutadas porque gracias a l las fuen-tes conmutadas mantienen constante la tensinde salida. Por eso le volvemos a pedir que jueguecon el circuito hasta que el fenmeno quede gra-bado en su mente.

Por qu razn la corriente crece lentamente

durante el tiempo en que la llave est cerrada?

Ya lo dijimos pero vale la pena repetirlo, por-que la corriente genera un campo magntico que

a su vez genera una tensin sobre el inductor quese opone al efecto de la batera; y cuanto msgrande es el inductor, ms se opone a que lacorriente crezca rpidamente. Esto se llamaautoinduccin y es la caracterstica que define aun inductor.

Realmente se produce algo similar a lo queocurre con el capacitor, si lo queremos cargardesde una fuente de corriente; la energa elctri-ca acumulada va depender del tiempo que lafuente est conectada, figura 4. Por lo tanto, si lallave slo se cierra un tiempo mnimo, el campoelctrico acumulado tambin ser mnimo y lamanifestacin de este campo al cortocircuitar elcapacitor ser prcticamente inexistente.

Realice varias pruebas, anotando el valor dela capacidad y el tiempo de carga hasta llegar acierta tensin o a la inversa la tensin de cargaen funcin del tiempo que dura cerrada la llave.Veremos que de modo similar a la inductancia, uncapacitor de 1 Farad se carga a 1V en el tiempode 1 segundo. Si realizamos otras medicionescon un valor de inductancia 10 veces menor sepodr observar que la tensin crece a una veloci-dad 10 veces mayor.

Ahora conocemos el fenmeno y sabemoscmo variarlo, pero an no sabemos todo:

Qu ocurre si no conectamos ningn resistor

sobre la llave? cmo se produce la sobretensin

y hasta que valores puede llegar?

Es muy simple y fcil de comprender. Elinductor se opone a que cambie el valor de


Figura 4 - Circuito de carga de un capacitor.



corriente circulante por el circuito. Mientras lallave est cerrada la corriente va creciendo, porejemplo hasta llegar a 1A. Al abrir la llave se pro-duce un cambio notable en la resistencia del cir-cuito que pasa de unos pocos Ohm (en general laresistencia del bobinado) a un valor prcticamen-te infinito. En el circuito que utilizamos el inductores ideal y no tiene resistencia. La nica resisten-cia existente es la agregada de 1m evidente-mente despreciable. El inductor, por lo tanto, tratade modificar la tensin para que siga circulando1A y genera una sobretensin sobre la llaveabierta, con el fin de que circule corriente. Peropara que circule corriente por un circuito abiertose debe superar la tensin de ruptura del aire. Enla prctica se llega a generar tal tensin que seproduce un arco en la llave (observe como lasleyes de la electrnica tratan de cumplirse an enlas peores condiciones y si no hay resistor dondehacer circular corriente, se lo crea haciendo sal-tar un arco en el aire o en el aislador que puedellegar a destruirlo).

Es un caso extremo que no tiene utilidad

practica, dir Ud. No, es uno de los primeros fenmenos elctri-

cos que el hombre utiliz desde comienzos delsiglo XX. En efecto as funciona el encendido deun automvil que genera la chispa en la bujapara que explote la mezcla de combustible y aire.

Vamos a hacer alguna prueba ms conectan-do un resistor de 1k sobre el inductor paraobservar cmo se reduce el pulso de sobreten-sin. Ahora, cuando se abre la llave, existe un

paso de circulacin para la corriente y entoncesse cumple la ley de Ohm. En nuestro caso, porejemplo si abrimos la llave cuando la corrientellega a 1A esa corriente se deriva por el resistorde 1k y por lo tanto genera una tensin dadapor la ley de Ohm. En efecto 1A x 1k es igual a1kV, figura 5.

Para que se puedan observar los oscilogra-mas con ms claridad, desplazamos el haz decorriente hacia abajo ubicando el eje verde tresdivisiones hacia abajo. Observe que la sobreten-sin llega en exactamente a 1kV. Podra haberllegado a un valor levemente inferior si conside-ramos que en el circuito hay capacidades distri-buidas en el inductor y en la llave que son unapequea carga para la sobretensin. Esto nosindica que el Multisim realiza las simulacionescon un gran realismo teniendo en cuenta inclusi-ve las capacidades parsitas de los componen-tes.

LA FormA DE SEAL DE LA SobrEtEnSIn

Hasta ahora slo observamos la sobretensincomo un pulso sin detalles. Lleg la hora deexpandir la escala horizontal del osciloscopiopara observar cual es la ley de variacin de latensin. En principio debe considerar que el osci-loscopio de su Multisim tiene memoria, lo cualfacilita las observaciones de nuestro fenmeno(se trata de un fenmeno que no es repetitivo).En efecto, si fuera repetitivo podramos utilizar el


Figura 5 - Clculo de la sobretensin sobre un resistor conectado en paralelo con un inductor.



sincronismo de la base de tiempo del oscilosco-pio (que opera como el sincronismo de cualquierosciloscopio real) para detener las imgenes.Nosotros vamos a emplear el carcter de oscilos-copio con memoria para detenerla. Simplementetermine la simulacin con la llave general de lamesa, ample el osciloscopio y ubique el pulso desobretensin sobre la pantalla con el cursor quese encuentra debajo de la misma, figura 6. Escomo si volviramos el tiempo atrs y lo ubicra-mos donde ms nos interesa. Inclusive podemosvariar las escalas para obtener imgenes amplia-

das en el tiempo o con mayor sensibilidad verti-cal. Esto es lo que hicimos en la figura 7.

Observe la forma de onda superior (corriente).Vea que no tiene cambios bruscos; cuando lallave se abre, la corriente que estaba aumentan-do, comienza a disminuir exponencialmentehasta hacerse nula debido a que la llave no seabre instantneamente. Para completar el ejerci-cio vamos a agregar un capacitor sobre la llave.Vea las figuras 8 y 9 con un acortamiento de lostiempos.

Aqu tenemos un interesante efecto de trans-


Figura 6 - Forma real de la variacin de tensin sobre la carga.

Figura 7 - Vista de la seal con la escala de tiempos ampliada en el tramo de

los flancos de la seal.



ferencia de energa y disipacin, que debemosanalizar con todo detenimiento. En principio, stees un circuito realmente muy utilizado desde prin-cipios del siglo XX (salvo por los valores de loscomponentes); es el circuito de encendido de unautomvil. Todo comienza cuando los platinos secierran. All comienza a circular una corriente cre-ciente. En ese momento el capacitor est en cor-tocircuito y por lo tanto descargado. Cuando elplatino se abre, el inductor tiene su mxima ener-ga en forma de campo magntico. El inductor

tiene dos componentes conectados sobre el; unresistor y un capacitor. En principio puede olvi-darse del resistor que analizaremos ms tarde. Elinductor debe mantener la corriente circulando ylo hace utilizando al capacitor. Cuando un capa-citor es recorrido por una corriente se carga. Elresultado es que comienza a aparecer una ten-sin sobre el capacitor que se hace mximacuando el inductor entreg toda la energa quetena acumulada (la corriente es igual a cero y sepuede decir que campo magntico y corriente


Figura 8 - Oscilacin amortiguada en la apertura de la llave.

Figura 9 Oscilacin amortiguada con el tiempo de barrido ms corto.



son proporcionales). All no termina el fenmeno,ahora es el capacitor el que est plenamente car-gado y por lo tanto lleno de energa. Esa tensinqueda aplicada al inductor y por l comienza acircular una corriente en el sentido contrario alanterior.

Si no existiera el resistor los intercambios deenerga magntica (L) y elctrica (C) se produci-ran sin prdida y duraran una eternidad. Pero elresistor existe y en cada ciclo transforma energaen calor haciendo que los picos mximos seancada vez ms pequeos hasta llegar a cero. Estaseal tiene nombre, se llama oscilatoria amorti-guada y es el intercambio de energas que siguela ley mas comn de la fsica.

EL ConVErtIDor DE tEnSInDE LAS VIEjAS AutorrADIoS

Dnde se utiliz el principio de las fuentes

conmutadas por primera vez en el campo de la

electrnica?

En los TV dir Ud. No, fue en las radios paraautomviles de los aos 50 del siglo pasado. Enefecto el transistor no estaba difundido an y lasradios eran a vlvulas.

Requeran una tensin del orden de los 100Vpara el circuito de placa y en el automvil solo

existan los 12V de la batera.Suponemos que inspirado en el propio circui-

to de encendido del vehculo a alguien se le ocu-rri la idea de realizar un convertidor continua acontinua. En principio se necesitaba una llaveque interrumpiera la tensin continua de batera auna frecuencia considerablemente alta, luegoesa corriente pulstil se hacia pasar por un induc-tor para generar una sobretensin y por ultimoesa sobretensin se rectificaba de modo que car-gara un capacitor electroltico de alto valor.

En nuestro circuito, figura 10, utilizamos ungenerador de funciones y una llave controladapor tensin, pero en realidad se utilizaban unoscontactos que oscilaban unidos a un diapasn enuna frecuencia de aproximadamente 300Hz yque eran auto-oscilantes porque posean unabobina que los energizaba por pulsos. Ni quedecir que este dispositivo que conmutaba mec-nicamente a un ritmo tan acelerado duraba muypoco y era frecuente su recambio; tanto que esta-ba montado sobre un culote que a su vez des-cansaba sobre un zcalo para que se pudieracambiar sin desoldar.

Si Ud. cambia el tiempo de actividad del gene-rador de funciones, modifica el tiempo en que lallave est cerrada, cargando al inductor con uncampo magntico. Con un tiempo de actividadms bajo, la llave est cerrada ms tiempo el


Figura 10 - Fuente pulsada a vibrador para radio de auto a vlvulas.



inductor admite ms carga y genera una sobre-tensin mayor. Pruebe con diferentes tiempos yobserve la tensin indicada por el multmetro.

Hasta aqu hicimos un esfuerzo considerable,para explicar porque no es simple reconocer alinductor como un componente acumulador deenerga. Vimos que su hermano el capacitor espor fabricacin casi ideal (tiene muy pocas prdi-das) pero en el caso del inductor las prdidas sonconsiderables (generalmente por la resistenciadel alambre).

Pero an si fuera ideal, seguramente no se lotendra por un acumulador de energa dado queluego de cargarle un campo magntico, serequiere que permanezca en cortocircuito paraconservarlo.

Comenzaremos ahora, a ver circuitos prcti-cos. Veremos que nuestra llave debe ser reem-plazada por un transistor bipolar o MOSFET ynos detendremos a analizar las caractersticas deexcitacin de los mismos para favorecer la velo-cidad de conmutacin. En realidad se trata de untema que parece terico pero es realmente prc-tico, ya que el recalentamiento de los transistoresest absolutamente ligado a la excitacin.

EL trAnSIStor bIPoLArComo LLAVE ELECtrnICA

Hasta aqu trabajamos con llaves movidas amano para generar tensiones defuente. Ahora reemplazaremos esasllaves por dispositivos electrnicosprcticos. Actualmente se utilizansolo dos dispositivos para realizarconmutaciones de potencia:

* Los transistores bipolares clsi-

cos de potencia

* Los MOSFET (metal oxido semi-

conductor field efect transistor = tran-

sistor de efecto de campo con com-

puerta aislada).

Los transistores bipolares son his-tricamente los ms utilizados ya quese caracterizaban por su bajo costo ysu gran confiabilidad; sin embargoson difciles de excitar y por esa raznla tendencia es a reemplazarlos portransistores MOSFET que prctica-mente no requieren potencia de exci-

tacin y que actualmente menos que los transis-tores bipolares. En el momento actual existe unacombinacin de transistor bipolar con MOSFETllamado GATOS que fueron creados con la inten-sin de combinar las ventajas del transistor bipo-lar en lo que respecta a su baja resistencia cuan-do conducen, con el manejo de la excitacin atravs de una compuerta aislada. Por el momen-to estos dispositivos son caros, pero no dudamosque en poco tiempo mas estarn presentes comouna propuesta ms.

Nosotros estudiaremos las diferentes llavescomo elementos disociados, pero recuerde quela tendencia actual es incluirlos dentro de un cir-cuito integrado hbrido o monoltico. Sin embargo,dada las dificultades de fabricacin, la mayorparte de las fuentes estn resueltas en un circui-to integrado monoltico que posee hasta la etapadriver. El circuito se completa con la llave depotencia que se ubica en las cercanas. No obs-tante recuerde que todas las variantes estn pre-sentes en algn caso particular; a saber:

* Circuito integrado monoltico con llave de

potencia externa.

* Circuito integrado monoltico con llave de

potencia interno.

* Circuito integrado hbrido con llave de poten-

cia interna.

* Circuito discreto.

Los transistores bipolares, originalmente dise-


Figura 11 - El transistor polarizado en la zona activa.



ados como amplificadores lineales son utiliza-dos actualmente como llaves digitales. En losamplificadores lineales los transistores puedentomar un estado de conductividad entre el colec-tor y el emisor que depende de la corriente apli-cada a la base.

En la figura 11 podemos observar un simpletransistor BC548 excitado desde una fuente detensin continua y con un resistor de colector de1k

Se trata de un circuito muy simple con unpotencimetro que opera como si fuera una fuen-te de seal continua, un transistor y dos resisto-res. Uno para polarizar la base y el otro comocarga de colector, para poder observar si Q1 esequivalente a una llave abierta o cerrada.

La idea es observar las caractersticas del cir-cuito con el transistor usado de llave. Observeque segn la posicin del potencimetro, la jun-tura de base conduce y se genera una corrienteindicada por la tabla de base. Inicialmente debeajustar el potencimetro con la tecla A para bajar(y A y maysculas para subir) para obtener unatensin de colector de 6V. En estas condicionesse puede decir que entre el colector y el emisordel transistor se produce una resistencia de 1kobtenida por el cociente de la tensin y la corrien-te indicada por la tabla de colector.(6,16V/5,84mA =1.054k).

Nota: En las tablas aparece una frecuencia

que no es ms que el ruido del circuito, no la

tenga en cuenta.

Evidentemente, en este caso, estamos muylejos de poder considerar al transistor como unallave cerrada, sobre todo porque si hacemos cir-cular una corriente alterna por el colector encon-traremos que se genera la correspondiente ten-sin alterna.

Nota: I1 es un generador de corriente alterna

y no el clsico de tensin alterna, puede conside-

rarlo como un generador de tensin inteligente

que mide la resistencia del circuito y ajusta la ten-

sin para que circule la corriente elegida que en

este caso es de 3mA, figura 12.

Observe que el osciloscopio indica que en elpunto donde se inyecta la seal existe una resis-tencia considerable (exactamente 266 Ohm) por-que con una corriente alterna de 3mA se produceuna cada de tensin de unos 0,8 V eficaces.

Para que el transistor se comporte como unallave cerrada debe tener una resistencia entrecolector y emisor de un valor despreciable.Veamos que sucede si se incrementa la corrientede base con el potencimetro mientras se obser-va la cada de tensin en el osciloscopio. Comovemos la tensin alterna se va reduciendo hastahacerse prcticamente despreciable cuando la


Figura 12 - Transistor en conduccin activa.



tensin continua de colector del transistor llega aunos pocos mV.

Recin all podemos considerar que lallave/transistor se cerr. A esta condicin se lallama condicin de saturacin del transistor por-que un nuevo incremento en la corriente de baseno provoca una nueva reduccin de la resistenciaequivalente entre el colector y el emisor del tran-sistor. De cualquier modo no se puede decir quela llave tenga resistencia nula, sino que tiene unaresistencia baja que depende del transistor utili-zado y de la condicin de saturacin. Tambin sepuede decir que lejos de la saturacin, a todoincremento de corriente de base, le correspondeun incremento de la corriente de colector casiconstante. Pero cuando se llega a tensiones muybajas de colector a emisor a un incremento dadode corriente de base no le corresponde el corres-pondiente incremento de la corriente de colectory entonces se dice que el transistor est satura-do.

Aconsejamos al lector que siga realizandoexperiencias con el circuito de la figura 12 levan-tando y bajando la tensin del potencimetro. Yobservando como cambia la tensin alterna ycontinua de colector.Calcule el valor equivalen-te de resistencia en cadacaso.

CArACtErStICASDE LA LLAVEtrAnSIStor bIPoLAr

Para que un compo-nente pueda recibir elnombre de llave debetener:

* Una resistencia baja

al estar cerrada (resisten-

cia de conduccin).

* Una resistencia ele-

vada cuando est abierto

(resistencia de aislacin).

De hecho el transistorsin excitacin de base esun aislador entre colectory emisor ya que slo circu-la la corriente de fuga.Pero esa corriente no es

nula y debe ser considerada. Esa corrientedepende de la tensin inversa aplicada a labarrera base emisor y se llama condicin de blo-queo. Genricamente podemos decir que no essuficiente que la tensin de base a emisor estpor debajo de 600mV para asegurar que el tran-sistor est cortado. De hecho debemos recordarque el semiconductor utilizado est sometido a laaplicacin de tensiones de colector muy elevadasluego del corte. Y un corte poco eficaz causa sudestruccin inmediata.

Por lo general un diseador asegura que en elmomento del corte se produzcan por lo menostensiones inversas de base del orden de los 2 a 3volt. Mayores tensiones pueden ser contraprodu-centes sobre todo si se generan a baja impedan-cia ya que la juntura no soporta ms que algunadecena de voltios en inversa.

Aqu es importante realizar un anlisis de latransformacin de energa elctrica en trmicaporque la mayora de los problemas no catastr-ficos de las fuentes se deben a algn problemade este tipo.

Cuando la llave esta abierta, tiene una grantensin aplicada pero no circula corriente por ella;


Figura 13 - Excitacin de una llave transistor.



por lo tanto la disipacin (W = E x I con I = 0) sernula. Cuando la llave est cerrada circula unaelevada corriente por ella, pero la tensin sobrela misma ser prcticamente nula (W = E x I conE = 0). Desde luego que estamos hablando decondiciones ideales que no siempre se cumplen.En realidad existe cierta cada de tensin sobre lallave cerrada y cierta corriente circulando con lallave abierta, pero la potencia generada no sueleser importante y puede despreciarse.

Esto significa que la llave no se calienta?

No, de ninguna manera. Se puede calentar ymucho. Lo que queremos decir es que no secalienta por la disipacin cuando est cerrada ocuando est abierta.

Y cundo se calienta entonces?

Se calienta en el preciso momento de la con-mutacin, cuando pasa del cierre a la apertura, ode la apertura al cierre. En conclusin: si la con-mutacin es rpida (flanco abrupto de la tensinde base) y ocurre pocas veces por segundo (fre-cuencia baja), hay poca disipacin. Si es lenta o

se repite muchas veces por segundo hay muchadisipacin.

Y de qu depende que un transistor conmu-

te rpidamente?

Depende de su circuito de excitacin. En lafigura 13 mostramos un simple circuito realizadocon un transistor de conmutacin Zetex tipoCTX658. Observe que simplemente debe conmu-tar una carga resistiva de 10k sobre una fuentede 100V.

En la pantalla del osciloscopio, ubicamos laexcitacin de base en la parte inferior (con el ejecero en 5V) y la tensin de colector en la supe-rior. Observe que la seal de excitacin es unaonda cuadrada de 10V de una frecuencia de20kHz.

El oscilograma de base est muy lejos de serrectangular, as que lo primero que le pedimos alalumno es que tome la punta conectada al colec-tor y lo conecte sobre la salida del generadorpara estar seguro que el problema no es degeneracin. Una vez que haya comprobado queel generador tiene una onda perfectamente rec-

tangular con los flancosbien verticales le pedi-mos que reconecte elosciloscopio en el colec-tor.Observe en la figura 14que la seal de colectorsigue a la de base conbastante exactitud salvola amplitud y la inversinde fase propia de un tran-sistor (recuerde que elcanal B del osciloscopiose puede invertir con latecla para hacer com-paraciones mas exactas).Observe que cuando latensin de base se haceinversa el transistor secorta y la tensin decolector sube hasta elvalor de fuente. Cuandola juntura de base sepolariza en directa, eltransistor se satura y latensin de colector llegaprcticamente a cero. Lacorriente de colector sepuede observar sobre el


Figura 14 - Oscilograma de tensin de entrada y

corriente de colector.



resistor R3 en serie con elmiliampermetro.

En la figura 14 sepuede observar la corrien-te de colector junto con laseal de salida del gene-rador. Observe que des-plazamos los ejes paraque las seales se pue-dan observar mejor (arri-ba se observa la corrien-te). Observe que ademsde la inversin de fasehay pequeos corrimien-tos del orden de 1 o 2Sque son una falla del cir-cuito que deberemosmejorar.

Observe que I(dc) indi-ca 4,94mA es decir prcti-camente 5mA. En efecto,el transistor conecta unresistor de 10k sobreuna fuente de 100V yhace circular 10mA, perolo hace slo durante lamitad del tiempo. Esto sig-nifica una corriente pico I de 10mA y una prome-dio de 5mA. En realidad los retardos del transis-tor se comportan de modo tal que el periodo deactividad es menor y por eso la indicacin es desolo 4,94mA.

Si cambiamos la resistencia de base para

excitar la base con menor impedancia, encontra-mos que con R1 de 100 Ohm la forma de sealen colector se corrige, hacindose mas parecidaa la del generador, figura 15. Adems la tablaahora indica 5,31mA. Es decir que mide ms delo ideal pero que como ya sabemos es ms pare-


Figura 15 - Forma de seal de corriente de colector con

R1 de 100 Ohm.

Figura 16 - Oscilograma de V e I de colector.



cido a lo real porque ahora la corriente de colec-tor tiene un tiempo de actividad muy cercano al50%.

Las oscilaciones que se producen en el flancoascendente se deben a que el Multisim es tanexacto en sus simulaciones que considera lascapacidades e inductancia parsitas del transis-tor BC548B.

En nuestro caso esas oscilaciones no nosmolestan as que las pasamos por alto.

Para entender dnde se producen las perdi-das del circuito debera utilizarse un graficador depotencia instantnea. Solo que ese instrumentono existe en la realidad. Con el Multisim se puederealizar una graficacin de V de colector y I decolector para observar en que momentos se pro-duce potencia W (recuerde que W = E x I).

Observe que la grfica de potencia de la figu-ra 16 estara siempre a nivel bajo, salvo en lasconmutaciones en donde se producen dos picosimportantes porque all se observan valores dife-rentes de cero para ambas seales. (I y V). Larazn es que durante las conmutaciones se obtie-ne tensin y corriente al mismo tiempo, no porquelo exija la carga sino porque la corriente de colec-tor no lleg a cero cuando la tensin aplicada

todava persiste (lentitud dela llave). Lo ms importantees reducir esos picos depotencia tanto en amplitudcomo en duracin, porqueesto significa que se mejorel rendimiento del sistema.Analizaremos ahora porqu razn se producenretardos en la conmutacinde una llave transistor(observe en la figura 16 quellegan a valores de unos3S) y cmo se los puedemejorar.Un transistor llave debe tra-bajar saturado. Esto signifi-ca que la juntura base emi-sor tiene ms portadoresque los necesarios paraque la tensin de colectorllegue a un valor nulo. En laprctica alcanzara con elvalor justo de corriente queproduzca la saturacin,pero eso es absolutamenteimposible de asegurar en la

prctica. En efecto, una produccin real de tran-sistores no puede mantener invariable un factorde amplificacin de corriente (beta) determinado,por lo tanto el circuito se debe disear para quela corriente de base alcance con el transistor masduro de la produccin y por las dudas se debe darun factor de seguridad de por lo menos el 20 o el30%.

Imaginemos al transistor saturado al final delperiodo de conduccin. En la base existen msportadores que los necesarios para producir lasaturacin. Si en ese momento simplemente seinvierte la tensin de base no podemos suponerque la juntura de colector se abra inmediatamen-te.

En efecto, hasta que la juntura de base no sevace el colector no se entera del cambio de lacondicin del generador. Los portadores extraspueden considerarse acumulados en el capacitorparsito de base emisor y se los debe extraer lomas rpidamente posible. Y como sabemos lacorriente necesaria para vaciar ese capacitordepende tanto de ese valor de capacidad comodel circuito externo.

En nuestro circuito de ejemplo la corriente debase se puede modificar de dos modos:


Figura 17 - Reduccin del tiempo de cruzamiento de V e I.



* Modificando la resis-

tencia de base.

* Modificando la tensin

de salida del generador.

Ambos efectos pare-cen iguales pero no loson. Los portadoressobrantes se pueden reti-rar ms rpidamente si seutiliza un circuito de bajaimpedancia y si no sehace circular ms corrien-te que la necesaria. Si edi-tamos las caractersticasdel transistor utilizado,nos encontraremos que elbeta promedio del mismoes de 170. En nuestro cir-cuito utilizamos una ten-sin directa de base de5V (10Vpap de onda cua-drada) y un resistor de10k. La corriente quepasar por ese resistordespreciando la tensinde barrera del transistores de 5V/10k = 0,5mA. Con esa corriente podr-amos hacer circular hasta una corriente de colec-tor de 0,5 x 170 = 85mA pero solo estamoshaciendo circular una corriente de 100V/10k =10mA. Es decir que estamos sobreexcitando altransistor en un orden de 8,5 veces. Los portado-res de carga estn en una cantidad 8,5 vecesmayor que la necesaria.

La solucin en nuestro caso no pasa poraumentar el valor de resistencia porque en esecaso tardaremos ms en descargar al capacitorde base.

Lo que conviene hacer es reducir la tensinde base y al mismo tiempo el resistor de base.Por ejemplo intentemos reducir el resistor a 100y ajustemos la corriente de base para que tengaun valor igual a doble de lo necesario es decir10mA / 170 x 2 = 0,12mA.

Observe cmo se reducira la duracin de lospulsos de potencia instantnea debido a que elcruzamiento de V e I es ahora mucho ms corto.En realidad la amplitud de los pulsos de potenciainstantnea no se reduciran mucho, pero si lohara la duracin, que prcticamente se anul.

La mejora en el rendimiento general se puedeobservar en el circuito de la figura 17 en donde se

puede observar como prcticamente se anula eltiempo en donde se cruzan la tensin y la corrien-te. Al mismo tiempo se puede observar que en latabla, la corriente de la fuente pas de un valor de5,3mA cuando excitbamos con 10k a un valorde 5,18mA con 100.

No vamos a abandonar nuestro circuito, sinantes observar con ms detalle la forma de sealde corriente de base, pero esta vez junto con lade tensin de base.

Observe que para hacer conducir al transistorprimero aparece la tensin positiva de base, figu-ra 18. En ese preciso momento se genera un picode corriente de base que carga al capacitor de lajuntura y una vez que esta cargado comienza aconducir el colector porque se satura el transistor.Observe que el operativo de carga del capacitordura muy poco (despreciable con una base detiempo de 1S/div) cuando antes duraba unostres microsegundos.

Tambin se puede observar que cuando secorta el transistor se produce un corto periodo decorriente negativa de base. Esa corriente se debea la extraccin de los portadores sobrantes de labase cuando el generador pasa al semiciclo

negativo. J


Figura 18 - Oscilograma de la corriente de base.


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