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Cuaderno del Técnico Reparador

TEORIA DE OPERACION DE LAS FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADA PRINCIPIOS DE OPERACION Preparado por Horacio D. Vallejo Extraído del texto: “Fuentes de Alimentación Conmutadas en Televisores Modernos” del Prof. J. L. Orozco Cuautle

COMENZAMOS A DETALLAR EL FUNCIONAMIENTO DE LAS FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS, AMPLIAMENTE UTILIZADAS EN ELECTRODOMESTICOS (TV, REPRODUCTORES DE CD, VIDEOCASETERAS, ETC.). EN ESTE ARTICULO EXPLICAMOS EL DIAGRAMA EN BLOQUES TIPICO.

INTRODUCCION El empleo de las fuentes conmutadas se ha generalizado rápidamente, tanto en equipos de televisión como en videograbadoras, computadoras, etc., gracias a su amplio rango de flexibilidad respecto de las variaciones del voltaje de alimentación que maneja, así como a su elevada eficiencia en la regulación. No obstante su amplio uso, es uno de los temas que en la actualidad suscitan mayor problema entre el personal dedicado al servicio. En el presente artículo se analizará el principio de operación de este tipo de fuentes para que, a partir de la comprensión de su funcionamiento, su labor al momento de brindar el servicio sea más sencilla. PRINCIPIOS DE OPERACION Las fuentes conmutadas son circuitos cuyo objetivo final es, al igual que las fuentes reguladas, proporcionar a los diversos bloques de un aparato las tensiones y corrientes necesarias para su conveniente operación. Sin embargo, la principal diferencia entre ambos circuitos estriba en que las fuentes reguladas se basan en un proceso de conversión y regulación de tensión más limitado, lo que genera importantes pérdidas de potencia en forma de calor y, además, su funcionamiento se ve afectado por variaciones en el voltaje de línea. Damos a continuación las diferencias entre una fuente de alimentación regulada y una conmutada: FUENTE REGULADA • Su proceso de conversión y regulación de tensión es poco suficiente.

• Genera importantes pérdidas de potencia en forma de calor. • Generalmente son más pesadas. • Su funcionamiento se ve afectado por variacioens en la tensión de línea CA (opera dentro de un rango pequeño). • Cuenta con un transformador muy grande, conectado directamente a la línea. • Utilizan un regulador de tensión. FUENTE CONMUTADA • Producen tensiones perfectamente reguladas. • Minimiza la pérdida de potencia por calor. • Son más resistentes a las variacioens de tensión de línea. • Su construcción es más compleja y, en consecuencia, su costo es más elevado. • Cuenta con un transformador de alta frecuencia. • Son más livianas. • Puede operar con un margen de tensiones de entrada muy amplio (85Vca a 240Vca). Al contrario de las fuentes comunes, las fuentes conmutadas producen múltiples tensiones perfectamente reguladas, minimizando cualquier pérdida de potencia por calor; además de ser más resistentes a las variaciones en la línea de CA, manteniendo un funcionamiento óptimo incluso cuando se presenten variaciones de más de 40V (una fuente conmutada típica tolera variaciones de entre 90 y 135Vca sin problema alguno, aunque hay fuentes que operan entre un voltaje de 85 a 240 volt). Sin embargo, su principal desventaja es que, debido a sus construcción más compleja, su reparación puede resultar de igual manera más difícil y costosa,

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del tipo continuo). Uno de los bobinados del transformador retroalimenta una tensión fuera de fase para que el excitador inicie la oscilación (figura 2). TRANSFORMADOR El transformador cuenta con un bobinado primario, uno o más secundarios y un bobinado de realimentación; las

aunque por experiencia le podemos comentar que si usted comprende el funcionamiento de las fuentes conmutadas, su trabajo de servicio podrá realizarlo de una forma más sencilla. DIAGRAMA A BLOQUES La estructura general de una fuente conmutada está integrada por un oscilador, un pequeño transformador, rectificadores secundarios y filtros pasabajos, utilizados para filtrar el voltaje de salida, y para su funcionamiento intervienen básicamente seis bloques (figura 1). RECTIFICADOR Y FILTRO Este bloque recibe los 220Vca de la línea (o 110V, dependiendo de la región) y entrega aproximadamente 170Vcd en su salida. Hay que recordar que el puente rectificador convierte la corriente alterna en corriente directa y que el filtro elimina el ruido o ripple. El fusible que se encuentra en la entrada de la línea para protección del circuito; se abre sólo cuando hay un corto circuito en la sección osciladora y no cuando hay una carga excesiva. EXCITADOR Y OSCILADOR Este bloque generalmente se compone de un transistor discreto (recientemente se ha incrementado el uso de este bloque en forma de circuito integrado); el propósito de este conjunto es tomar la tensión de 170Vcd y "pasarlo" a través del primario del transformador, pero en forma de una señal pulsante (recuerde que un transformador es inútil ante señales de CD

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funciones de este último son: • Realimentación: entrega una señal de realimentación al transistor excitador/oscilador con el objeto de cortarlo y generar una situación inestable que provoque la oscilación, lo que significa que el conmutador se enciende y apaga a muy alta velocidad. Como esta situación se repite en un ciclo de trabajo muy pesado, debe emplearse un transistor con características apropiadas que le permitan manejar la potencia adecuada. • Acoplamiento: el circuito de acoplamiento (cuando existe) sirve para proporcionar al extremo primario una referencia del comportamiento de los voltajes en el secundario, con el objeto de que las tensiones de salida de la fuente estén siempre dentro de sus especificaciones correctas. También provee una aislación eléctrica entre el circuito del primario y el circuito del secundario; esto es para que el usuario nunca entre en contacto con la línea de CA cuando toque la unidad. Este transformador puede ser pequeño en comparación con un transformador tradicional, debido a que trabaja con una frecuencia alta para lograr que la transferencia de energía entre primario y secundario sea mejor, comparada con la transferencia que realiza un transformador normal a 50Hz (figura 3). RECTIFICADORES DEL EXTREMO SECUNDARIO Los diodos rectificadores son de baja tensión

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Fuentes de Alimentación Conmutadas

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una conexión directa entre primario y secundario; por razones de seguridad, se envía a través de un optoacoplador. CONTROL DE NIVEL Con la reducción de la polarización de la base del transistor excitador/oscilador, se reduce también la amplitud de la señal entregada en su colector. Y dado que este efecto se presenta en todos las tensiones secundarias, puede decirse que la polarización del oscilador se reduce para mantener en estado de regulación a la fuente conmutada. TRANSFORMADORES DE LAS FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADA En las fuentes de alimentación conmutada, existen dos formas para controlar la salida de tensión en los secundarios del transformador, que son por medio de control de la frecuencia y por el llamado bobinado de control.

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pero de alta velocidad, ya que el secundario del transformador entrega corriente alterna con una elevada frecuencia; a causa de esto, los diodos rectificadores de baja frecuencia resultarían inútiles (figura 4). Este es uno de los principales problemas con los que el técnico electrónico se enfrenta cuando va a reparar fuentes conmutadas; y es que si desconoce la situación seguramente sustituirá los diodos originales con cualquier otro tipo de diodos, lo cual no garantiza un buen funcionamiento, ya que en poco tiempo volverán a fallar e incluso pueden llegar a perjudicar otras secciones dentro de la misma fuente. El tipo de diodos que se recomienda utilizar es el RU4M, que soporta 400V, 2A y es de rápida recuperación. REALIMENTACION Y AISLAMIENTO En algunas fuentes, la tensión del secundario más importante (la línea de B+) es tomada y enviada en realimentación al circuito primario. Esta tensión se emplea para controlar la salida que va hacia el transformador por el excitador de realimentación. Dicha muestra de tensión es enviada de regreso al primario del circuito, a pesar de que no existe

Control por frecuencia Es un cambio de frecuencia en el oscilador con respecto al punto de resonancia del transformador. La operación de estos transformadores depende de la frecuencia, ya que el bobinado primario funciona como un oscilador natural. Recordemos que siempre que colocamos en paralelo una bobina y un capacitor, el conjunto posee una "frecuencia de resonancia" natural, misma que depende estrechamente de los valores de L y C (figura 5). Por lo tanto, podemos decir que un transformador en cuyo primario se coloque un condensador en paralelo, poseerá una frecuencia de oscilación implícita, la cual marcará su punto de operación óptima. A pesar de que no se colo-

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6 quen capacitores externos en el bobinado primario, existe una capacidad inherente causada por la proximidad de las espiras del mismo. Este circuito resonante L-C es producido exclusivamente con el bobinado del transformador. La tensión de salida de los secundarios aumenta cuando la frecuencia de trabajo se aproxima a la frecuencia natural cuidadosamente la frecuencia de entrada al primario del transformador, la tensión de salida de éste puede ser controlada o regulada. La gráfica del comportamiento de un transformador se muestra en la figura 6; ahí vemos que el pico máximo es Vs se alcanza exactamente cuando la frecuencia de entrada coincide con la resonancia natural del bobinado. Como puede observar, la forma de respuesta no es muy estrecha, sino más bien amplia; esto se debe a la resistencia del alambre, al valor de la inductancia, a la capacidad inherente, etc. En consecuencia, si se maneja cuidadosamente la frecuencia aplicada al bobinado primario, se puede hacer que trabaje en cualquier punto de curva (de preferencia en la porción lineal, ya sea de subida o de bajada) y produzca en su salida una gama de tensiones que van desde un punto muy bajo hasta su punto máximo (Vs). Por lo tanto, el método puede utilizarse para controlar de forma muy precisa los voltajes a la salida de los secundarios. Algunas fuentes en televisores operan en el punto B de la curva, por lo que en éstos, las variaciones de frecuencia tienen un efecto inverso: en la porción descendente de la curva un aumento de frecuencia implica menor inducción y consecuentemente, una disminución en la salida del secundario del transformador. Este modo de operación (en la región B) no es muy empleado por los diseñadores, ya que al encender el equipo, el oscilador comienza a trabajar con una baja frecuencia y, por lo tanto, la salida en los secundarios del transformador será elevada, lo que causaría probablemente daños en la fuente o en el equipo. Control por bobinado de control Algunas fuentes de alimentación utilizan un transformador muy especial, el cual incluye una

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bobina de control de un transformador en su interior, que hace que disminuya la inductancia dentro del dispositivo. La mayoría de los televisores utilizan un transformador especialmente construido con un bobinado de control, colocado en una laminación acoplada de manera perpendicular a la laminación del primario y secundario. El bobinado de control regula la salida del transformador, así altera la reluctancia y, por lo tanto, aparentemente también la inductancia del transformador. Usando la bobina de control, al aplicar una tensión de corriente continua, se desarrolla un campo magnético que se aplica en el núcleo del transformador, que afecta el campo inducido por el primario y, por consiguiente, la tensión generada en el secundario. Esto altera el campo, de la misma forma en que sucede al insertar un tornillo de aluminio en una bobina de sintonía (inductor). Cuando la inductancia (L) es disminuida, la frecuencia de resonancia es incrementada, lo que equivale a que la curva de respuesta se deslice hacia la derecha y se provoque un cambio en la salida de voltaje de los bobinados secundarios. El diseñador de la fuente selecciona el punto de operación A o B para determinar si al aplicar CD a la bobina de control, la tensión de salida se aumenta o disminuye. Si se elige el punto A, al estar corrida la curva hacia la izquierda, la fuente comienza a trabajar con una tensión muy alta, lo que puede afectar la integridad de los circuitos alimentados; para evitarlo, se debe aplicar inmediatamente una tensión de CD (continua) en la bobina de control cuando el aparato es energizado. Es por ello que este tipo de fuentes, por lo general, trabajan en la región B de la curva; es decir, comienzan a operar con una tensión de salida baja y, conforme se va aplicando una corriente de realimentación al bobinado de control, el voltaje de salida va creciendo hasta alcanzar su nivel adecuado (esto ocurre en pocos milisegundos). Con los puntos tratados hasta aquí, usted podrá tener una idea más clara sobre el funcionamiento de este tipo de fuentes. Sin embargo, queremos reiterar el hecho de que cada modelo específico requiere un análisis particular, ya que los componentes y diseños empleados por los fabricantes llegan a variar. Es por esa razón que más adelante daremos un artículo especialmente dedicado a la descripción de varios circuitos de alimentación conmutada, correspondientes a marcar de televisores con más penetración en el mercado. En la próxima edición continuaremos revisando otros aspectos importantes relacionados con el funcionamiento de las fuentes conmutadas. ✪