CRIIPCI CIÓN ÓN DE DESCR
F UENTES C ONMUTADAS O NMUTADAS DE D E O TROS E QUIPOS Introducción La fuente de alimentación de muchos equipos electrónicos modernos, tales como videocaseteras, reproductores de CD y DVD, computadoras y otros, también está basada en el principio de la fuente conmutada. Este diseño brinda en un espacio y peso mínimo un excelente rendimiento eléctrico y térmico junto con una adecuada protección eléctrica y térmica y es ideal para aquellos consumos que requieren varias diferentes tensiones tensiones Figura 1 para su funcionamient funcionamiento. o. En este capítulo describiremos algunas fuentes de otros equipos para que Ud. R11. El resistor R21 suministra la tensión inicial de las compare con las descriptas para televisores y arranque a la pata 9 de IC11. Un regulador interno tenga una visión más amplia del tema. En la figura 1 suministra la tensión +B que necesita IC11. Un oscivemos el aspecto de la fuente de alimentación de uno lador y modulador interno del tipo PWM (Pulse de los modelos de reproductor de DVD de Panaso- Width Modulation) suministra la señal a un circuito nic. de excitación proporcional de drive. La forma de onda resultante es aplicada a un circuito interno de drive. La señal de drive sale por las patas 4 y 5 de IC11 El Diagrama en y es aplicada a la etapa final por medio de la pata 3.
Bloques de Otra Fuente Figura 2 En la figura 2 vemos el diagrama en bloques de este tipo de fuente que se caracteriza por la presencia de un transformador del tipo flyback, lo que indica la necesidad de usar una frecuencia elevada para su funcionamien funcionamien-to, prescindiendo de la frecuencia baja de 50 o 60Hz, típica de las fuentes de alimentación convencional convencionales. es. El funcionamiento de este tipo de fuente puede explicarse de la siguiente manera. Se aplica una tensión de +B proveniente de un circuito rectificador al primario del transformador flyback T11 y después a la pata 1 del procesador IC11. El retorno al circuito rectificador se efectúa por medio del resistor
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G ENERACIÓN Figura 3
El circuito de salida excita el transformador flyback T11 por la pata 1. Una tensión derivada del secundario B es rectificada por el diodo D21 y reemplaza la tensión de arranque aplicada a la pata 9 de IC11. Una tensión de referencia rectificada por el diodo D22 es sensada por medio de la pata 8 para inhibir el funcionamiento del integrado. Un circuito sensor de exceso de corriente monitorea la corriente que atraviesa R11. Si la corriente es excesiva, un circuito cerrojo se activa e impide el funcionamiento por medio de un circuito interno de sobretensión OVP (Over Voltage Protection) y otro de protección térmica TSD (Thermal Shut Down). Una corriente primaria excesiva es sensada por la pata 6. Este circuito termina el ciclo del oscilador si la corriente primaria resultase excesiva. La regulación de la tensión es facilitada por medio de una realimentación de una tensión de referencia por medio de un aislador óptico Q31 conectado a la pata 7.
El circuito del rectificador En la figura 3 vemos el circuito del rectificador. El fusible F1 de 1,6 amperes protege la fuente contra corrientes excesivas. El protector de sobrecargas D2 desvía la corriente causada por picos de tensión en la red, quema el fusible F1 y protege el circuito. El inductor L1 y el capacitor C1 ayudan a aislar línea de la red alterna del ruido de R.F. generado por la fuente. L1 ayuda también a reducir el golpe de corriente de encendido sobre el puente rectificador D1. Los capacitores C2 y C3 establecen un potencial de referencia de la masa aislada con respecto a la línea de alterna. R1 impide la formación de cargas en la masa aislada al descargar constantemente el terminal común. Los inductores LB1 y LB2 impiden que el ruido de conmutación se introduzca en la masa aislada. D1 es un rectificador de onda completa. C11 filtra la tensión continua rectificada y suministrada al regulador conmutado.
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Circuito de Conmutación de Salida de la Fuente En esta fuente de alimentación el circuito de salida de la fuente está incorporado en el controlador IC11. En la figura 4. vemos este sector del circuito. El transistor interno TR2 es usado como driver-amplificador intermedio. El circuito de excitación proporcional suministra una señal de pulsos cuadrados a su base. Esta señal es amplificada y aislada y sale por la pata 5 de IC11. Cuando el circuito de excitación proporcional aplica un "HIGH" a la base de TR2, permite que la salida en la pata 4 quede quede flotando. A su vez cuando aplica un "LOW" a la pata 4, también aplica un "LOW" a la base de TR2. El resistor externo R14 permite que la salida de señal de TR2 en la pata 5 sea combinada con la salida de señal de excitación proporcional en la pata 4. Ambas señales se combinan y se acoplan a la pata 3 de IC11 por medio de R15 y C13. Esta señal actúa como driver para el transistor interno de conmutación TR1. Durante la parte de "apagado" de la señal, la pata 4 está conectada a masa a través del excitador proporcional y el capacitor C13 se descarga a través de D11. Cuando vuelve la parte positiva del "encendido" de la señal, TR1 conduce a medida que C13 se carga. El emisor de TR11 está conectado a masa por Figura 4
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El regulador interno aplica tensión a los circuitos del oscilador y driver de IC11. La tensión generada en el bobinado B es rectificada por el diodo D21 y filtrado por C21. La tensión +B resultante es usada para alimentar a IC11, eliminando la necesidad para R21 y R24 cuando se establece el modo funcional. En la figura 5 vemos el circuito correspondiente.
El Oscilador
Figura 5 medio de la pata 2 de IC11. La conducción de TR1 conecta a masa la pata 1 y permite que circule corriente a través del bobinado primario del transformador T11.
El Arranque de la Fuente Inicialmente, cuando se enciende el equipo, la tensión de +B es suministrada a la pata 9 de IC11 por medio de los resistores R21 y R24. La tensión de +B forma una rampa en la pata 9 a medida que el capacitor C21 se carga. Tan pronto la tensión llega a 7,6 volt, el circuito de arranque en el IC11 se activa y suministra tensión al regulador interno.
El circuito del oscilador recibe su tensión de +B del circuito del regulador interno. Los tiempos de este oscilador se fijan por los circuitos de temporización "T-ON" y "T-OFF". El oscilador forma rampa a medida que el capacitor interno C1 se carga a través de R1. Esta rampa decae a medida que el capacitor C2 descarga por R2. Este proceso forma una onda triangular que se aplica al excitador proporcional que la transforma en una onda cuadrada. La pata 8 suministra realimentación desde el transformador T11. Esta señal de realimentación sincroniza el periodo de corte del oscilador con el colapso del campo magnético del transformador usando dos comparadores internos. Los comparadores Op1 y Op2 son referenciados por 0,75 volt y 1,4 volt, respectivament respectivamente. e.
La Regulación de la Fuente Esta fuente de alimentación usa la modulación por ancho de pulso para obtener una tensión de salida constante. Al acortar el tiempo de la formación de rampa (tiempo de encendido) se reduce la potencia aplicada al transformador durante cada ciclo de trabajo. Esto reduce las tensiones de salida, en cambio el aumento del tiempo de encendido resulta en un aumento en las tensiones de salida. El resistor interno R1 y el capacitor interno C1 determinan la constanFigura 6
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te de tiempo de la rampa. El valor de C1 es de 0.0033µF y el valor de R1 es ajustado en fábrica como para obtener un tiempo de rampa mayor que el necesario, lo que resulta en una tensión de salida excesiva. Se agrega una red externa, formada por por R31, Q31, R32 y D32. Esta red asiste al resistor interno R1 para lograr una carga más rápida rápida de C1. Así Así se reduce el tiempo de la rampa. La variación de la resistencia de este circuito modifica el tiempo de la rampa. Esta variación se logra por la variación de la conducción del transistor en el acoplador óptico Q31. La resistencia de Q31 es inversamente proporcional a la intensidad de la luz que incide en su base. Un diodo LED en el interior interior de Q31 suministra suministra la la intensidad de luz sobre la base del transistor para producir las tensiones de salida deseadas. En la figura 6 podemos observar los detalles de este circuito.
La Limitación de la Corriente del Primario Para proteger la fuente de alimentación de la destrucción por corriente exclusiva, se agrega un circuito de limitación de la corriente del primario. Cuando el transistor Tr1 es conmutado para conducir, la corriente circula por el bobinado del primario del transformador T11. Cuanto más tiempo el transistor Tr1 conduce, mayor será será su corriente. A medida que la corriente aumenta, la caída de tensión sobre R11
Figura 7
también aumenta. Esta caída de tensión es aplicada a la pata 6 de IC11 a través de un divisor de tensión consistente de R13 y R12. Tan pronto como la pata 6 se polariza más negativo que la tensión interna de referencia de -1 volt, la salida del amplificador operacional interno va a HIGH, terminando la parte de ON del ciclo del oscilador.. Esto se repite en cada ciclo del funcionamienlador to.
Circuitos de Protección En el procesador IC11 se encuentra incorporado un circuito cerrojo, como vemos en la figura 7. Este cerrojo permite detener el funcionamiento de la fuente de alimentación en caso de suceder defectos. Un sensor de corte térmico activa la compuerta OR, OR1 si la temperatura del integrado excede el límite prefijado de 150°C. Esto activa el cerrojo que a su vez bloquea el oscilador y detiene la fuente. La tensión de +B aplicada a la pata 9 de IC11 es monitoreada por un protector de sobretensión (OVP = Over Voltage Protector). Si el +B alcanza el nivel indeseado de 10 volt, volt, el circuito OVP activa la compuerta OR y apaga la fuente de alimentación. La tensión de cresta no filtrada filtrada es derivada derivada del transformador T11 y es aplicada a la pata 8 de IC11 a través de D22 y es monitoreada por el comparador OP3. Si la tensión de cresta alcanza a 5,1 volt, el comparador activa la compuerta OR y apaga la fuente. Cuando el apagado ocurre, el cerrojo permanece bloqueado hasta que la tensión desaparece o la corriente a través del cerrojo se reduce a menos de 500µA.
Las Fuentes del Secundario de T11 La tensión de las fuentes derivadas del secundario del transformador T11 puede variar debido a las variaciones en la fuente de 6 volt que se usa como realimentación para la regulación. Por este motivo, es importante que cada una de estas fuentes de tensión sea regulada en forma individual.
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Los 12 volts que salen de la pata 17 de T11 son filtrados y aplicados al colector del regulador Q31. Este transistor es usado como conmutador y como regulador. Cuando la línea del encendido (POWER ON/OFF) se encuentra en LOW, Q34 está apagado. Por lo tanto QR33 es apagado y no llega ninguna polarización a la base de Q31. Se observa este circuito en la figura 8. Esto produce el corte de Q31 y el apagado de la fuente de 9 volt. Cuando se enciende el equipo, Q34 y Q33 empiezan a conducir y suministran una pola-
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rización a la base de Q31 a través de los resistores R31 y R32. Esta polarización es fi jada por el diodo Zener D32 en 10 volt. El transistor Q31 conduce y suministra 9,3 volt en su emisor. Con la fuente de 9 volt encendida y regulada por el diodo Zener D32, resulta importante encender y regular también la fuente de -9 volt. Además, es muy importante que este nivel se mantenga en concordancia con el Figura 8 nivel de +9 volt. Cuando la tensión de 9 volt sube o baja, la tensión de -9 volt también debe subir o bajar en concordancia. En la pata 18 de T11 existe una tensión rectificada y filtrada de -13 volt. La polarización para el transistor de regulación Q41 es suministrada por el resistor R42 y el transistor Q42. Cuando la tensión de 9 volt aparece en el emisor de Q32, éste conduce y enciende Q42. El transistor Q42 polariza Q41 para conducir y la tensión de -13 volt aparece en su emisor. Como en el divisor de tensión R43, R36 y R35 aparece una tensión tensión negativa más más alta en un extremo extremo y
Figura 9
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Figura 10
una tensión positiva positiva más baja en el otro, esta polarización hace conducir Q43. La conducción de Q43 reduce la polarización en la base de Q41. Esto reduce la tensión de salida de Q41 y lo ajusta a -9 volt. Inversamente, una disminución en la tensión de -9 volt produce una reducción en la conducción de Q41 y restaura los -9 volt. Un incremento en el nivel de 9 volt produce la menor conducción de Q43 y la mayor conducción de Q41. Esto balancea el incremento o la reducción de +9 volt y -9 volt en forma recíproca.
Guía de Fallas 1.) La fuente de alimentación no arranca En la figura 9 vemos un esquema parcial que permite el análisis de esta falla. A.) Un resistor R21 o R24 defectuoso impide la carga inicial de C21 y la llegada de la tensión de arranque a la pata 9 del procesador IC11. B.) Un capacitor C21 abierto impide la generación de carga suficiente para el arranque de la fuente. C.) Un diodo D21 o capacitor C21 en cortocircuito desvía toda la energía a masa. D.) Un procesador IC11 IC11 defectuoso puede impeimpedir el arranque.
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2.) Apagado sin motivo aparente Observe la figura 10. A.) El capacitor C41 se carga con la caída de tensión sobre R11. Si Q43 no deriva la energía excesiva de C41 se puede presentar un apagado sin motivo aparente. B.) El amplificador operacional Op3 integrado en IC11 puede estar trabajando con una tensión de referencia incorrecta y provocar un apagado. C.) Un incremento en el valor de R11 puede provocar una carga demasiado rápida de C11 y provocar un apagado. D.) Un capacitor C22 abierto permite que picos de tensión provoquen un apagado. 3.) El procesador de control IC11 se recalienta Observe la figura 11. A.) Un diodo D11 con fugas puede impedir que Tr1 en el interior de IC11 reciba la polarización correcta. Esto produce el recalentamiento de Tr1. B.) Un cambio en el valor de C13 o fugas en C13 pueden resultar en una polarización incorrecta de Tr1, produciendo su recalentamiento. C.) Un transformador flyback fuera de sintonía puede reducir la eficiencia de la fuente de alimentación y provocar un exceso térmico. Un cambio en el valor de C22 puede desintonizar T11. E.) R14 y R15 o el circuito de drive en el interior de IC11 pueden provocar el recalentamiento de Tr1
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Figura 11 en el IC11, si son defectuosos.
4.) La tensión de salida baja con carga A.) El resistor R11 es muy preciso. Un aumento en su valor puede causar la activación del circuito del limitador limitador de corriente del del primario (PCL (PCL = Primary Current Limiter) en forma prematura y limitar de esta manera la potencia por debajo del valor especificado. B.) El resistor R12 es parte de un divisor de tensión que provee una muestra de la caída de tensión sobre R11 al circuito sensor. Un incremento en su valor puede causar una muestra incorrecta. 5.) Regulación incorrecta de la tensión de salida La regulación incorrecta de la tensión de la fuente puede ser causada por: A.) Un cambio en los valores de R01, R02, R03 y R04. B.) Un cambio en la tensión regulada por el diodo Zener D01. C.) Pérdida de capacidad o fugas en C11, C14 o C31. D.) Fallas en el circuito interno de IC11. 6.) Desbalance entre la fuente de +9 volt y -9 volt A.) Todo cambio en el valor de R35, R36 o R43 puede causar la conducción incorrecta de Q43 y Q41, lo que da lugar al desbalance.
B.) Todo defecto o fuga en los transistores Q41 o Q43 puede provocar el desbalance. 7.) Corte por exceso de tensión en el encendido A.) Un resistor R23 abierto puede causar el corte al poco tiempo de haber encendido. B.) Un capacitor C22 en cortocircuito aplica suficiente tensión a la pata 8 de IC11 para provocar el corte. C.) Un problema en el lazo de regulación de tensión puede producir producir una tensión excesiva en las patas 8 y 9 y activar activar la protección OVP o del comparador OP3 en IC11. D.) Muchos componentes internos en IC11 pueden causar el corte inmediato o una regulación incorrecta y el corte inmediato.
8.) Corte por exceso de consumo A.) La corriente excesiva de cualquier etapa que recibe tensión de de la fuente puede causar la activación del circuito cerrojo conformado por Q41 y Q42 y provocar el corte. B.) Un valor muy alto de R11 puede provocar el corte. C.) Un transistor Q42 en cortocircuito produce la aparición de la tensión +B en la pata 8 y provoca el corte. D.) Un transistor Q41 en cortocircuito produce el encendido de Q42 y con ello el corte.
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Análisis de la Fuente Panasonic NV-J31 Vamos a analizar tres circuitos de videocaseteras comerciales, los cuales son representativos de las fuentes conmutadas utilizadas en equipos electrónicos de consumo. Es importante que usted haga un seguimiento cuidadoso de las señales, ya que su cabal comprensión le permitirá analizar circuitos de fuentes conmutadas de otros modelos y marcas. Veamos el circuito de la videocasetera Panasonic NV-J31. En la práctica, las fuentes conmutadas son circuitos complejos, como puede observar en el diagrama a bloques de la configuración utilizada en la videocasetera Panasonic NV-J31 (figura 12), la cual también llega a aplicarse en otras marcas (por ejemplo en General Electric). En este diagrama se pueden identificar fácilmen-
Figura 12
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te los distintos elementos que constituyen una fuente conmutada. En la esquina superior izquierda encontramos la línea de alimentación de AC, la cual pasa a través de un transformador supresor de ruidos, cuya función es evitar que el switcheo generado en la fuente pueda salir y causar interferencias en otros equipos conectados a la línea casera. A continuación encontramos encontramos un puente de diodos rectificadores, los cuales toman la tensión de la línea y la transforman en una señal de una sola polaridad relativamente constante, constante, gracias a la acción de un filtro a la salida del rectificador. rectificador. Este voltaje llega hasta el primario del transformador principal T1001, a través de su terminal 1, en cuya salida (terminal 3) encontramos una bobina suavizadora y el colector del transistor conmutador Q1001. Observe también que hay un diodo volante
D E S C R I PC PC I Ó N D E F U E N T E S C O N M U T A D A S (D1002) entre los terminales 1 y 3 del transformador, el cual se coloca para evitar que cuando el transistor de switcheo se apague, entre los terminales del primario se presente un pico de voltaje de tales dimensiones que dañe a los componentes asociados. El transistor conmutador tiene conectado en su base un par de transistores de control de switcheo (Q1002 y Q1003), cuya función es desactivarlo cortocircuitando la alimentación de la base en determinados momentos. Veamos cómo funciona: al conectar el aparato a la línea de alimentación, en el terminal 1 de T1001 aparecen alrededor de 170 Vdc, al tiempo que se induce en la base de Q1001 una tensión lo suficientemente alta como para encenderlo y permitir el paso de la corriente a través del primario. Esta corriente circulando induce una tensión en el embobinado que se muestra inmediatamente abajo del primario, lo cual produce una tensión en el terminal 5 de T1001. A su vez, dicho voltaje pasa a través del diodo D1006 y llega a un transistor controlado ópticamente, en cuyo emisor se encuentra la base de Q1002, el cual se pone en corto y apaga a Q1001. Al no haber inducción en T1001, desaparece la tensión del terminal 5 de T1001 y Q1002 se corta, con la que se vuelve a encender Q1001 y se repite el ciclo. Como puede deducirse, se tiene entonces una situación inestable que obliga al circuito a oscilar de forma indefinida, produciendo un campo magnético oscilante en el núcleo del transformador principal, el cual induce voltaje en todos los secundarios (terminales 7-14 de T1001). ¿Cómo es que se controla la oscilación del circuito, de tal manera que el nivel de las salidas permanece estable a pesar de las variaciones en la línea de alimentación alimentación? ? La respuesta es la siguiente: puede notar que en el terminal 11 de T1001 (uno de los bobinados secundarios) se encuentra un diodo, un condensador y un circuito suavizador a partir de una bobina y un condensador adicional, y que en ese trayecto se genera una tensión que se dirige hacia un
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circuito integrado detector de voltaje de salida IC1002. Precisamente, este integrado maneja directamente al diodo emisor de luz que excita al transistor controlado ópticamente y que a su vez controla la conmutación de Q1002; si la tensión a la salida sube por arriba de sus niveles adecuados, el diodo emite más luz y obliga al transistor dentro de IC1001 a conducir más, provocando que la tensión que se genera en el embobinado de entre los terminales 5 y 6 de T1001, llegue con más facilidad a Q1002, y que por consecuencia se apague más rápidamente Q1001, lo que disminuye el ciclo de trabajo del conmutador y por lo tanto la tensión de salida, corrigiendo el desnivel de la entrada. Y al contrario, si la tensión tensión cae por abajo de cierciertos parámetros, el diodo dentro de IC1001 conduce menos, provocando que el transistor no se encienda por completo, lo que a su vez retarda la conmutación de Q1002, por lo que Q1001 permanece encendido por más tiempo, produciendo una mayor inducción en los secundarios y un aumento en las tensiones generadas, corrigiendo así las variaciones detectadas en el nivel de la tensión de salida. Cabe mencionar que en este circuito no se incluye ningún tipo de pulso de encendido, lo cual significa que no hay propiamente una sección de fuente switcheada (aquella que sólo se activa cuando la máquina está encendida). Para reemplazarla, se disponen algunos reguladores y transistores conmutadores conmutadores en la placa principal, los cuales son controlados por el Syscon; aunque estrictamente hablando, la fuente en todo momento expide las tensiones que se indican en los terminales del conector de salida:
Figura 13
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Terminal ..............Tens ..............Tensión ión 1 ........................... .........5V 2 ........................... .......44V 3 ........................... .......14V 5 ........................... .........5V 6 ........................... .........5V 7.................................-30V 8 ....... .............. ............... ................ ..........GND ..GND 9 ........................... ......3,6V Otro punto que conviene destacar es que hay dos niveles de "tierra" diferentes, uno para el primario y otro para el secundario; esto implica que para las mediciones en cada extremo se debe tomar como referencia la Figura 14 "tierra" correspondiente, ya que de lo contrario las mediciones serán erróneas. Pero a su vez esta configuración trae consigo una complicación adicional, según explicaremos enseguida. En la figura 13 se muestran varios oscilogramas con una letra que identifica el punto donde se debe tomar la medición en el diagrama a bloques. Adjunto a cada oscilograma se menciona cuál de las "tierras" se debe utilizar para esa medición en particular; sin embargo, el problema surge cuando se trata de conectar directamente el osciloscopio al extremo positivo: en México y en varios países de Latinoamérica, los constructores y electricistas encargados encargados de las instalaciones caseras raramente identifican plenamente la línea "viva" (caliente) y la línea de "tierra", y casi nunca colocan tomacorrientes polarizados. Por lo tanto, al conectar la videocasetera a la línea, es muy probable que el nivel de "tierra" del primario presente una tensión muy distinta al de la tierra física, siendo que el osciloscopio sí está conectado a ese nivel. De esta manera, si conecta descuidadamente el caimán de referencia al punto de "tierra" del primario (TP1003), es muy probable que se produzca un cortocircuito en el osciloscopi osciloscopio, o,
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pudiendo dañarlo seriamente. Para evitar esta contingencia, siempre utilice toma-corrientes convenientemente polarizados, y también aísle a la fuente de poder mediante un transformador 1:1 o un variac. Este último recurso puede ser conveniente, ya que los oscilogramas anteriores corresponden a la operación en modo STOP y con una una alimentación alimentación de exactaexactamentee 120V o 220V según la tensión ment tensión de red, red, de tal manera que si por cualquier razón la tensión de linea de su zona no es de este valor, las formas de onda variarán ligeramente. Por último, en la figura 14 se presenta el diagrama esquemático de esta fuente.
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