CURSO DE FUENTES CONMUTADAS - LECCION 2
LAS LLAVES ELECTRONICAS Y CIRCUITOS DE EXCITACION

En el artículo anterior trabajamos con llaves movidas a mano para generar tensiones de fuente, en éste reemplazaremos esas llaves por dispositivos electrónicos prácticos, mencionando los dos tipos de semiconductores más empleados para dicho propósito, los MOSFET y los transistores bipolares

INTRODUCCION

Actualmente se utilizan solo dos dispositivos para realizar conmutaciones de potencia: los transistores bipolares clásicos de potencia y los MOSFET (metal oxido semiconductor field efect transistor = transistor de efecto de campo con compuerta aislada). El primero es por mucho el mas utilizado ya que se caracteriza por su bajo costo y su gran confiabilidad; sin embargo es difícil de excitar y por esa razón la tendencia es a reemplazarlo por transistores MOSFET que prácticamente no requieren potencia de excitación.

En el momento actual existe una combinación de transistores bipolar con MOSFET llamados GATOS que fueron creados con la intensión de combinar las ventajas del transistor bipolar en lo que respecta a su baja resistencia cuando conducen con el manejo de la excitación a través de una compuerta aislada. Por el momento estos dispositivos son caros aun pero no dudamos que en poco tiempo mas estén presentes como una propuesta mas.

Nosotros estudiaremos las diferentes llaves como elementos disociados, pero recuerde que la tendencia actual es incluirlos dentro de un circuito integrado híbrido o monolítico.

Sin embargo, dada las dificultades de fabricación, la mayor parte de las fuentes están resueltas en un circuito integrado monolítico que posee hasta la etapa driver. El circuito se completa con la llave de potencia que se ubica en las cercanías. No obstante recuerde que todas las variantes están presentes en algún caso particular; a saber:

  1. circuito integrado con transistor llave de potencia externo
  2. circuito integrado con transistor llave de potencia interno
  3. circuito discreto
EL TRANSISTOR BIPOLAR COMO LLAVE
Los transistores bipolares, originalmente diseñados como amplificadores lineales son utilizados actualmente como llaves digitales. En los amplificadores lineales los transistores pueden tomar un estado de conductividad entre el colector y el emisor que depende de la corriente aplicada a la base. En la figura 1 podemos observar un simple transistor BC548 excitado desde una fuente de tensión continua y con un resistor de colector de 1k ohm.


La idea es observar las características del circuito con el transistor usado de llave. Observe que según la posición del potenciómetro la juntura de base conduce y se genera una corriente indicada por el miliamperímetro de base. Inicialmente debe ajustar el potenciómetro para obtener una tensión de colector de 6V. En estas condiciones se puede decir que entre el colector y el emisor del transistor se produce una resistencia de 1k ohm??obtenida por el cociente de la tensión y la corriente indicada por el amperímetro de colector. (6V/6mA =1k ohm).

Evidentemente estamos muy lejos de poder considerar al transistor como una llave cerrada sobre todo porque si hacemos circular una corriente alterna por el colector encontraremos que se genera la correspondiente tensión alterna. Ver la figura 2.

Observe que el osciloscopio me indica que en el punto donde se inyecta la señal existe una resistencia considerable (exactamente 500 ohm) porque con una corriente alterna de 3mA se produce una caída de tensión de unos 8Vpap.

Para que el transistor se comporte como una llave cerrada debe tener una resistencia entre colector y emisor de un valor despreciable. Veamos que sucede si se incrementa la corriente de base con el potenciómetro mientras se observa la caída de tensión en el osciloscopio. Como vemos la tensión alterna se va reduciendo hasta hacerse prácticamente despreciable cuando la tensión continua de colector del transistor llega a unos pocos mV. Recién allí podemos considerar que la llave/transistor se cerró. A esta condición se la llama condición de saturación del transistor porque un nuevo incremento en la corriente de base no provoca una nueva reducción de la resistencia equivalente entre el colector y el emisor del transistor. De cualquier modo no se puede decir que la llave tenga resistencia nula sino que tiene una resistencia baja que depende del transistor utilizado y de la condición de saturación.

 
CARACTERISTICAS DE LA LLAVE TRANSISTOR BIPOLAR
Pero para que un componente pueda recibir el nombre de “llave” debe cumplir no solo la condición de resistencia baja al estar cerrada (resistencia de conducción). También debe tener una resistencia elevada cuando está abierto (resistencia de aislación). De hecho el transistor sin excitación de base es un aislador entre colector y emisor ya que solo circula la corriente de pérdida. Pero esa corriente no es nula y debe ser considerada. Esa corriente depende de la tensión inversa aplicada a la barrera base emisor y se llama condición de bloqueo. Genéricamente podemos decir que no es suficiente que la tensión de emisor esté por debajo de 600mV para asegurar que el transistor esté cortado. De hecho debemos recordar que el semiconductor utilizado está sometido a la aplicación de tensiones de colector muy elevadas luego del corte y un corte poco eficaz causa su destrucción inmediata. Por lo general un diseñador asegura que en el momento del corte se produzcan por lo menos tensiones inversas de base del orden de los 2 a 3 volt.

Mayores tensiones pueden ser contraproducentes sobre todo si se generan a baja impedancia ya que la juntura no soporta mas que alguna decena de volt. Aquí es importante realizar un análisis de la transformación de energía eléctrica en térmica porque la mayoría de los problemas no catastróficos de las fuentes se deben a algún problema de este tipo.

Cuando la llave esta abierta, tiene una gran tensión aplicada pero no circula corriente por ella; por lo tanto la disipación (W = E x I con I = 0) será nula. Cuando la llave está cerrada circula una elevada corriente por ella, pero la tensión sobre la misma será prácticamente nula (W = E x I con E = 0). Desde luego que estamos hablando de condiciones ideales que no siempre se cumplen. En realidad existe cierta caída de tensión sobre la llave cerrada y cierta corriente circulando con la llave abierta pero la potencia generada no suele ser importante y puede despreciarse.

¿Esto significa que la llave no se calienta?
No, de ninguna manera. Se puede calentar y mucho. Lo que queremos decir es que no se calienta por la disipación cuando está cerrada o cuando está abierta.

¿Y cuándo se calienta entonces?
Se calienta en el preciso momento de la conmutación; cuando pasa del cierre a la apertura o de la apertura al cierre. En conclusión: si la conmutación es rápida y ocurre pocas veces por segundo, hay poca disipación. Si es lenta o se repite muchas veces por segundo hay mucha disipación.

¿Y de qué depende que un transistor conmute rápidamente?
Depende de su circuito de excitación. En la figura 3 mostramos un simple circuito realizado con un transistor de conmutación Zetex tipo CTX658. Observe que simplemente debe conmutar una carga resistiva de 10k ohm?sobre una fuente de 100V.

En la pantalla del osciloscopio, ubicamos la excitación de base en la parte inferior (con el eje cero en –1V) y la tensión de colector en la superior. Observe que la señal de excitación es una onda cuadrada de 10V de una frecuencia de 10kHz. El oscilograma de base está muy lejos de ser rectangular así que lo primero que le pedimos al alumno es que tome el haz de colector y lo conecte sobre la salida de la fuente para estar seguro que el problema no es del generador. Una vez que halla comprobado que el generador tiene una onda perfectamente rectangular le pedimos que reconecte el osciloscopio en el colector.

Observe que la señal de colector sigue a la de base con bastante exactitud salvo la amplitud y la inversión de fase. Observe que cuando la tensión de base se hace inversa el transistor se corta y la tensión sube hasta el valor de fuente. Cuando la juntura de base se polariza en directa, el transistor se satura y la tensión de colector llega prácticamente a cero. La corriente de colector se puede observar sobre el resistor R2 en serie con el miliamperímetro. En la figura 4 se puede observar la corriente de colector junto la señal de salida del generador. Observe que desplazamos los ejes para que las señales se puedan observar mejor (arriba se observa la corriente).

Observe la indicación del miliamperímetro; indica 4,94mA es decir prácticamente 5mA. En efecto el transistor conecta un resistor de 10k ohm?sobre una fuente de 100V pero lo hace solo durante la mitad del tiempo. Esto significa una corriente pico de 10mA y una promedio de 5mA. En realidad los retardos del transistor se comportan de modo tal que el periodo de actividad es menor y por eso la indicación es de solo 4,94mA.

Si cambiamos la resistencia de base para excitar la base con menor impedancia encontramos que con R1 de 100 ohm?la forma de señal en colector se corrige haciéndose mas parecida a la del generador. Además el miliamperímetro ahora indica 5,126mA. Es decir que mide mas de lo ideal pero que como ya sabemos es mas parecido a lo real porque ahora la corriente de colector tiene un tiempo de actividad muy cercano al 50%.

Para entender donde se producen las pérdidas del circuito debería utilizarse un graficador de potencia instantánea. Solo que ese instrumento no existe en la realidad. Con el WB se puede realizar un instrumento de ese tipo mediante la utilización de un modulo que realiza el producto de dos señales (recuerde que W = E x I). Ver figura 5.

Observe que la gráfica de potencia instantánea esta siempre a nivel bajo, salvo en la conmutaciones en donde se producen dos picos importantes. La razón es que durante las conmutaciones se obtiene tensión y corriente al mismo tiempo no porque lo exija la carga sino porque la corriente de colector no llegó a cero cuando la tensión aplicada todavía persiste (lentitud de la llave). Lo más importante es reducir esos picos tanto en amplitud como en duración, porque entonces se puede suponer que se mejoró el rendimiento del sistema.

Analizaremos ahora porque razón se producen retardos en la conmutación de una llave transistor (observe en la figura 5 que llegan a valores de unos 3µS) y como se los puede mejorar.

Un transistor llave debe trabajar saturado. Esto significa que la juntura base emisor tiene mas portadores que los necesarios para que la tensión de colector llegue a un valor nulo. En la práctica alcanzaría con el valor justo de corriente que produzca la saturación pero es absolutamente imposible asegurar una producción estable de transistores con una factor de amplificación de corriente determinado, por lo tanto el circuito se debe diseñar para que la corriente de base alcance, con el transistor más duro de la producción y por las dudas se debe dar un factor de seguridad de por lo menos el 20 o 30%.

Imaginemos al transistor saturado al final del periodo de conducción. En la base existen mas portadores que los necesarios para producir la saturación. Si en ese momento simplemente se invierte la tensión de base no podemos suponer que la juntura de colector se abra inmediatamente. En efecto, hasta que la juntura de base no se vacíe el colector no se entera del cambio de la condición del generador. Los portadores extras están como acumulados en un capacitor de base emisor y se los debe extraer lo mas rápidamente posible. Y como sabemos la corriente depende de ese valor de capacidad pero también depende del circuito externo.

En nuestro circuito de ejemplo la corriente de base se puede modificar de dos modos. A) modificando la resistencia de base o B) modificando la tensión de salida del generador. Ambos efectos parecen iguales pero no lo son. Los portadores sobrantes se pueden retirar mas rápidamente si se utiliza un circuito de baja impedancia y si no se hace circular mas corriente que la necesaria. Si editamos las características del transistor utilizado nos encontraremos que el beta del mismo es de 170. En nuestro circuito utilizamos una tensión directa de base de 5V (10Vpap de onda cuadrada) y un resistor de 10k ohm la corriente que pasará por ese resistor despreciando la tensión de barrera del transistor es de 5V/10k ohm?= 0,5mA. Con esa corriente podríamos hacer circular hasta una corriente de colector de 0,5 x 170 = 85mA pero solo estamos haciendo circular una corriente de 100V/10ko hm?= 10mA. Es decir que estamos sobreexcitando el transistor en un orden de 8,5 veces.

La solución en nuestro caso no pasa por aumentar el valor de resistencia porque en ese caso tardaremos mas en descargar el capacitor de base. Lo que conviene hacer es reducir la tensión de base y al mismo tiempo el resistor de base. Por ejemplo intentemos reducir el resistor a 100 ohm?y ajustemos la corriente de base para que tenga un valor igual a doble de lo necesario es decir 10mA/170 x 2 = 0,12mA.

Observe como se reduce la duración de los pulsos de potencia instantánea. En realidad la amplitud de los pulsos no se redujo mucho, pero la duración prácticamente se anuló.

La mejora en el rendimiento general se puede observar en el circuito de la figura 6 en donde conectamos el canal superior al vatímetro instantáneo dejando el inferior para la tensión de colector. Al mismo tiempo se agregó un miliamperímetro para observar como la corriente de la fuente pasó de un valor de 5,126mA cuando excitábamos con 10k ohm?a un valor de 5,016mA con 100 Ohm.

No vamos a abandonar nuestro circuito, sin antes observar con mas detalle la forma de señal de corriente de base, pero esta vez junto con la de tensión de base. Ver figura 7.

Observe que para hacer, conducir al transistor primero aparece la tensión positiva de base. En ese preciso momento se genera un pico de corriente de base que carga al capacitor de la juntura y una ves que esta cargado comienza a conducir el colector porque se satura el transistor. Observe que el operativo de carga del capacitor dura muy poco (despreciable con una base de tiempo de 1 uS/div) cuando antes duraba unos tres microsegundos.

 
CIRCUITOS PRACTICOS DE EXCITACION DE BASE
Históricamente las fuentes pulsadas tenían una excitación de base similar a la del driver horizontal de TV. Es decir que tenían un pequeño transformador excitador que cumplía con las condiciones exigidas de baja impedancia de excitación de base y que permitía ajustar la excitación simplemente cambiando la relación de espiras.

Evidentemente un transformador bobinado arrastra una mano de obra humana que no condice con los criterios actuales de fabricación. Por lo tanto el transistor llave debe ser excitado con una salida directa de un circuito integrado que por lo general contiene una etapa de salida de potencia simétrica complementaria. El simple acoplamiento a capacitor no genera una adecuada corriente de base del transistor llave, dado que luego de que el capacitor se carga no hay prácticamente corriente de base. Ver figura 8. Este problema se soluciona muy simplemente con el agregado de un diodo en inversa con la juntura base emisor. Ver figura 9.

Con esto se soluciona el problema pero el reparador debe tener en cuenta ese diodo de base porque su ausencia suele producir un defecto muy peligroso. En efecto los fabricantes suelen diseñar la fuente de modo que llegue a la tensión de trabajo suavemente. Lo importante es evitar que la fuente llegue a la tensión de trabajo en forma oscilatoria amortiguada porque el primer pico de oscilación significa un incremento de la tensión regulada por encima del valor de trabajo. Esto implica aplicarle una mayor tensión a la etapa de salida horizontal y con ello a todas las tensiones auxiliares que se deriven del fly back. Con esta alternativa podemos observar que se corre el riesgo de dañar por sobretensión a alguno o a todos los componentes activos del TV.

Cuando el electrolítico de base se seca o el diodo en inversa se abre, se suele presentar el problema enunciado. Cuando tenga dudas sobre el estado del electrolítico coloque un tester de aguja sobre la salida de la fuente y observe que su indicación aumente suavemente y que no se pase del valor nominal. Si el equipo tiene un protector de sobretensión a diodo zener el problema puede ser distinto. Simplemente se encuentra el protector en cortocircuito. Uno supone que la fuente debe regular mal, así que desconecta el TV de la fuente y usa una carga simulada; desconecta el protector quemado, mide la tensión y la encuentra normal (evidentemente ya paso el pulso de encendido). Apaga la fuente, conecta otro protector, vuelve a probar y el protector se quema. Conclusión: si encuentra un protector quemado y la fuente regula en el valor nominal. Cambie el capacitor de acoplamiento a base y el diodo de inversa.

 
CONCLUSIONES
En esta sección analizamos el comportamiento de la llave transistor y analizamos los posibles circuitos de excitación utilizados en las fuentes pulsadas. Vimos la importancia fundamental de realizar las conmutaciones muy rápidamente y su efecto sobre el consumo o las perdidas del circuito. Por último analizamos el acoplamiento capacitivo de base y como se debe modificar el circuito para lograr un incremento suave de la tensión de fuente.
 
Por: Ing. Alberto Horacio Picerno
Docente titular de la cátedra de Fuentes Pulsadas (APAE)
 
FIGURA 1 - 2
 
FIGURA 3 - 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6 - 7
 
FIGURA 8
 
FIGURA 9
 
PROMOCIONES
 
 
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