CURSO DE FUENTES CONMUTADAS - LECCION 6
LOS BLOQUES DE PROTECCION Y CONTROL DE LA FUENTE

En este artículo agregaremos las redes de corrección del primario y secundario de la fuente que analizamos en la edición anterior, luego veremos cómo se inserta y qué requisitos deben cumplir las protecciones de corriente y tensión de nuestra fuente. De esta manera, ya tendremos "completa" la fuente virtual y podremos simularla en un laboratorio virtual.

INTRODUCCION

Los bloques básicos de una fuente deben completarse con los bloques de protección y control. Sin ellos la fuente no podría funcionar más que unos instantes; la mayor parte de las diferencias entre las fuentes se encuentran en estos circuitos y por ello deben ser estudiados en profundidad.

Otros de los inconvenientes con que se encuentra habitualmente un reparador es la falta de oscilogramas. Cualquier reparador con experiencia sabe, que si tiene dos TVs iguales para reparar, tiene un trabajo mucho menos complejo que si tiene que imaginarse las formas de onda y las tensiones continuas. Si se puede conseguir el manual de service y existe el oscilograma que necesitamos tenemos el problema resuelto. Pero eso no siempre es posible.

Desde aquí proponemos una solución diferente y muy moderna que estamos seguros que es la solución que van a adoptar todos los fabricantes en el futuro. El uso de los laboratorios virtuales. Si una fuente tiene su circuito simulado es como tener un TV mellizo en la estantería que nos permite comparar oscilogramas, tensiones continuas y otras cosas. Inclusive podríamos decir que en cierto sentido es mejor porque en el laboratorio virtual podemos probar cosas que no se pueden probar en el caso real.

El problema que suele presentarse para realizar las simulaciones, es que los fabricantes de integrados específicos aún no entregan las simulaciones de los mismos y es muy improbable que existan en las librerías del laboratorio virtual. Pero si la fuente no utiliza integrados o tenemos el circuito interno de los mismos, se los puede virtualizar aunque sea un esfuerzo muy grande.

En el caso de nuestra fuente didáctica ese problema no existe y siempre que podamos vamos a entregar las simulaciones de todas las fuentes que analizaremos aquí. Esta entrega será un ejemplo de este modo de trabajo. Ud. podrá bajar los archivos de la página de nuestra revista y revivir el funcionamiento de la fuente como si estuviera a mi lado con un osciloscopio y la fuente armada realmente.

 
CIRCUITOS DE AMORTIGUACION (SNUBBER CIRCUIT)
El circuito básico de la entrega anterior puede completarse con el agregado de tres redes de snubber que mostramos en la figura. En la figura 1 agregamos la red más importante que es la red de protección por tensión de la llave electrónica.

Con el agregado de la red de snubber superior, los oscilogramas sobre la llave se modifican de modo tal que ya no existe el pico de sobre tensión que podría quemar la misma. Observe la figura 2 y 3 en donde se pueden apreciar los oscilogramas mas importantes que son la tensión sobre la llave, la corriente por la llave, la corriente por el diodo auxiliar y la tensión del secundario.

El primer oscilograma es la señal sobre la llave que utilizamos como referencia. Observe que cuando la llave está abierta la tensión es alta y del valor calculado en la entrega anterior de 356V. En cuanto a la corriente máxima se puede observar un valor de 1,5mV sobre un resistor de 1mOhm es decir 1,5A.

Observe que cuando se cierra la llave la corriente comienza a crecer lentamente y que crece a ritmo constante hasta el valor máximo. Este crecimiento ocurre a un ritmo que depende del valor de la inductancia y de la frecuencia de trabajo de la fuente como se aclarará posteriormente en la sección de cálculos.

Cuando la corriente de primario decae a cero comienza a circular corriente por el secundario (fuente de trasferencia indirecta). Esta corriente comienza en un valor de 3A y decae lentamente hasta cero. En principio parecería que no se cumple la premisa fundamental de que los inductores no permiten que la corriente cambia de golpe porque aquí hay un cambio de 1,5 a 3 ampere pero esto tiene una explicación clara. En realidad lo que no puede cambiar de golpe es el campo magnético del núcleo. Si solo tenemos un bobinado esto es equivalente a que no se produce un cambio brusco de corriente por el mismo. Pero en nuestro caso existen dos bobinados y que además no tienen la misma cantidad de vueltas. En efecto el transformador que estamos utilizando tiene una relación de transformación 2:1 y esto significa que en el secundario deben circular 3A para generar un campo magnético idéntico al que se generaría con una corriente de 1A circulando por el primario. Esto también se podría explicar reflejando la tensión de secundario al primario a través de la relación de transformación como Ip = Is/2 en donde podríamos observar que los 3A del secundario equivalen a una corriente de 1,5A por el primario.

Otros detalles a observar son la tensión de secundario que debe tener un valor pico a pico igual a la de primario dividida por dos dada la relación de transformación. En el primario la tensión máxima es como dijimos de 356V y la mínima de cero. En el secundario tenemos una tensión 96,8V y -76V lo cual hacen una tensión pico a pico de 172,8V que multiplicada por 2 (la relación de transformación) generan una tensión de 346V aproximadamente igual a la de primario.

¿Cuál es la conclusión práctica para el reparador que se puede sacar de esta sección?
Que la red de snubber superior es fundamental para la vida de la llave cualquiera sea ésta. Si su llave se quema misteriosamente al encender la fuente con la tensión de trabajo de entrada controle con el téster el diodo de protección el resistor y el capacitor de la red de protección correspondiente. También puede arrancar la fuente con muy baja tensión y controlar el oscilograma sobre la llave; si aparece un pulso finito y alto la red no funciona. Si no tiene osciloscopio utilice el circuito detector serie que utiliza para probar el pulso de retrazado horizontal (un diodo recuperador y un capacitor de .1µF x 2500V).

La siguiente red de snubber que estudiaremos es la inferior, que se ubica directamente sobre la llave y que suele tener un capacitor de pequeño valor del orden de los 300pF en lugar del de 10nF que se utiliza en la red superior. Ver la figura 4. La acción de esta red es suprimir las oscilaciones amortiguadas que se producen cuando se agota la energía acumulada en el campo magnético. Observe que la corriente del secundario comienza en 3A y se reduce con un ritmo determinado por el valor de inductancia del secundario. Si el valor de corriente llega a cero antes que vuelva a cerrarse la llave, existe un intervalo de tiempo en donde la llave está abierta y no hay energía acumulada que mantenga al diodo del secundario conduciendo. En ese caso, la energía acumulada en la capacidad distribuida de los bobinados (que se trata de reducir al mínimo valor posible) sólo puede descargarse sobre la inductancia de magnetización (L del primario con el secundario abierto) del transformador.

En la figura 5 se puede observar el efecto de atenuar la oscilación amortiguada del primario con su capacidad distribuida por intermedio de una red RCD.

Observe que ahora la tensión de la llave no cae en forma oscilatoria sino que lo hace en forma abrupta hasta el único valor posible si los componentes reactivos están descargados es decir hasta la tensión de fuente y se mantiene allí hasta que la llave se vuelva a cerrar.

Por último nos queda por analizar una red RC montada sobre el diodo auxiliar. Esta red tiene un doble efecto: por un lado evita la destrucción del diodo por las tensiones de pico que se generan sobre él al conectarle bruscamente una corriente importante y por otro evita irradiaciones espurias que puedan ser captadas por el sintonizador del equipo. En la figura 6 se puede observar el circuito completo con la tercer red de snubber.

El resistor de 10 Ohm limita la corriente inicial de carga a valores perfectamente adecuados para el diodo rápido. En la figura 7 se pueden observar los oscilogramas correspondientes de tensión sobre el secundario y corriente.

 
CALCULOS Y SIMULACIONES DE LA FUENTE
¿A qué conducen los cálculos que vamos a presentar en esta sección?
A que el lector pueda medir los oscilogramas de una fuente y pueda realizar su propia simulación en un laboratorio virtual. En general, la mayor dificultad se encuentra en los componentes que no tienen datos concretos por estar diseñados específicamente para su función o porque no tenemos su hoja de datos. Ejemplo: transformadores y semiconductores.

En los puntos previos está la respuesta al caso del transformador. En principio, lo más sencillo es modificar un componente de la librería de nuestro laboratorio virtual que más se asemeje al que necesitamos. En nuestro caso en que trabajamos con Workbench Multisim tomamos el tranformador ideal de la librería Multisim Master, que es la que aparece por defecto cuando abrimos el programa y pedimos un tranformador con punto medio. Ver la figura 8.

Nota de Redacción: El autor trabaja con el Workbench Multisim, sin embargo, dicho programa suele ser muy costoso, razón por la cual puede emplear para este propósito otros laboratorios virtuales como Livewire, por ejemplo. Todo lo dicho a continuación puede ser aplicado a Livewire (baje un tutorial completo sobre uso de este programa de nuestra web: www.webelectronica.com.ar, haciendo click en el ícono password e ingresando la clave: “newave”). Pegamos este transformador sobre nuestro circuito y posteriormente lo seleccionamos para modificarlo apareciendo la pantalla de la figura 9.

Presionamos en Edit Model y aparece la pantalla de la figura 10 que nos invita a modificar los parámetros del tranformador.

Aquí debemos modificar nuestro transformador comenzando por la relación de transformación indicada como “n” y que aparece con valor 2. Si tenemos una fuente de transferencia indirecta funcionando, para determinar este valor medimos la tensión pico a pico de primario y la tensión pico a pico del secundario principal (aquel que posteriormente se utiliza para el circuito de medición). Si el primario tiene el doble de tensión que el secundario la relación será de dos y entonces n=2 es el valor correcto. En caso contrario se modifica adecuadamente.

Nota 1: el Multisim considera como relación de transformación a aquella medida con relación al secundario total (recuerde que el transformador elegido tiene punto medio); otros simuladores lo hacen con referencia a una mitad del secundario.

Nota 2: realice las mediciones con una carga resistiva adecuada para que luego sean similares a las reales.

Luego se observan las inductancias principales, que son la inductancia de magnetización del primario (la inductancia del primario con el secundario en circuito abierto) y la inductancia de dispersión o inductancia del primario con el secundario en cortocircuito. El valor más importante es el primero y se lo puede obtener de la medición de corriente por la llave.

Determine el valor de pico y el tiempo de conducción con el osciloscopio y aplique la formula Lm = Ve.T / Ip En donde Ve es la tensión de entrada o tensión de red rectificada T es el tiempo de conducción de la llave e Ip el valor de pico de la corriente por la llave. Estos datos salen de considerar que por un inductor ideal al que se aplica una tensión continua circula una corriente que va aumentando gradualmente en función del tiempo. Ese incremento es función de la tensión aplicada y del valor de la inductancia.

Para nuestro caso se obtiene una corriente pico Ip de 1,5A con una tensión de 150V porque nuestro ejemplo es para una red de 110V ya que esta serie de artículos se lee en toda América. En redes de 220V se suelen utilizar inductancias de primario de valor doble al considerado.

Una vez determinado el valor de la inductancia de magnetización (en nuestro caso de 1mHy) puede modificar el valor en la pantalla. El valor de la inductancia de dispersión puede determinarlo aproximadamente como mil veces menor que la inductancia de magnetización si no desea sacar el transformador del circuito para medirla. Posteriormente debemos modificar los valores de las resistencias de primario y secundario. Eso es muy simple ya que todo consiste en medir la resistencia de nuestro transformador utilizando el téster digital como óhmetro.

Observe que los parámetros están colocados dos veces sobre la pantalla. En el primer renglón a modo de título y en renglones posteriores. Debe modificarlos en ambos lados, tal como lo indicamos en la figura modificada 11.

Al cambiar los parámetros de este modo, el transformador modificado se puede utilizar para la simulación; pero si se sale del programa, cuando se vuelve a ingresar sólo se encontrarán los valores del transformador original. El camino para obtener un nuevo componente con un nombre creado por el lector consiste en seleccionar el componente del circuito y luego ir a la solapa Tools > Edit component > Model en donde aparece una pantalla de modificación algo diferente que permite darle un nombre a nuestro transformador y ubicarlo dentro de una librería también creada por el usuario.

El otro componente, que por lo general necesitamos cambiar, es el transistor llave. La librería del Multisim tiene una gran variedad de transistores pero es muy probable que no hallemos el nuestro. En ese caso se puede hacer un transistor ideal con las características deseadas del mismo modo que hicimos nuestro transformador. En la figura 12 se puede observar la pantalla del transistor ideal para ser modificada.

Llegado a este punto se puede realizar una simulación casi perfecta a partir de una fuente en funcionamiento ya que el resto de los componentes son fácilmente asimilables a componentes de la librería. Un caso aparte pueden ser las fuentes que tienen trasformadores con múltiples bobinados. El transformador ideal sólo tiene un bobinado secundario con derivación central. Si se desea construir un transformador con dos bobinados simplemente utilice dos transformadores con los primarios en paralelo recordando que si ambos transformadores tienen la misma inductancia de magnetización, la inductancia total será el paralelo de las inductancias (en ese caso la mitad). Ver la figura 13.

¿Qué nos queda por calcular en nuestra fuente?
En principio no determinamos si la misma tendrá un tiempo muerto o donde no hay corriente por primario o secundario y que valor tendrá éste, si existe. Esto puede ser un factor importante para el reparador porque ese tiempo muerto modifica las formas de onda presentes en el circuito.

El cálculo del tiempo muerto es muy simple. Primero hay que determinar el periodo total de la señal con el osciloscopio que llamaremos Tt. Posteriormente medir el tiempo encendido o Ton y el pico de corriente de primario. Luego establecer la ecuación de la corriente descendente del secundario transferido al primario y observar que en el mismo tiempo que la corriente sube hasta el valor pico, debe descender hasta agotar la energía acumulada. Eso significa que siempre debe existir un tiempo muerto para poder realizar una regulación que iguale el tiempo de llave cerrada y de agotamiento de energía, dejando un solapado para el tiempo muerto. Esto no significa que la condición sin tiempo muerto no pueda existir. Existe y algunas fuentes trabajan en ese modo aunque se puede demostrar que no es el modo de mayor rendimiento.

Para completar el tema de las fórmulas relacionadas con las fuentes pulsadas sólo basta hablar del tema de la energía desarrollada en función de la inductancia y el valor de pico de corriente. La energía en Joules se calcula como:

En tanto que la potencia en W, es la energía por el tiempo en que está presente. Si el lector tiene interés en el diseño de fuentes, le aconsejamos que realice varios diseños ajustando la relación de transformación y el periodo de actividad de la fuente básica antes de pasar a diseñar el oscilador de autobloqueo. Recuerde que el Multisim o el Livewire posee un ratímetro que le permite optimizar el rendimiento de las fuentes. Por nuestro lado, como ayuda a la reparación, creemos haber cumplido con nuestro cometido.

 
CONCLUSIONES
Esta entrega es posiblemente la mas teórica de todo el curso, pero contiene una teoría que nos puede ayudar a resolver problemas prácticos. Es posible que aún sea demasiado pronto para que los reparadores trabajen con laboratorios virtuales, pero el autor no duda que por lo menos deben comenzar a utilizarlos porque allí está el futuro de la enseñanza electrónica a nivel de manuales técnicos de los productos de electrónica de entretenimiento.

Esta entrega es adecuada también, para los estudiantes universitarios que necesitan presentar tesis de trabajo con temas poco tratados.

 
Autor: Ing. Alberto Horacio Picerno
E-mail: picernoa@fullzero.com.ar
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6
 
FIGURA 7
 
FIGURA 8
 
FIGURA 9
 
FIGURA 10
 
FIGURA 11
 
FIGURA 12
 
FIGURA 13
 
 
 
 
PROMOCIONES
 
 
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