Cuaderno del Técnico Reparador
TEORIA DE OPERACION DE LAS FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADA TIPOS DE FUENTES CONMUTADAS Preparado por Horacio D. Vallejo Extraído del del texto: “Fuentes de Alimentación Conmutadas Conmutadas en Televisores Modernos”
del Prof. J. L. Orozco Cuautle
EN ESTE ARTICULO, COMENZANDO CON LA DESCRIPCION DE ALGUNOS MODELOS COMERCIALES, DESCRIBIREMOS LOS DIFE RENTES TIPOS DE FUENTES CONMUTADAS QUE PUEDEN APARECER EN EQUIPOS ELECTRONICOS DE CONSUMO.
Introducción En aparatos electrónicos de uso doméstico se llegan a emplear varios tipos de fuentes; las p rincipales son las d e tipo PAM PAM (Pu (Pu lse Amplitude Modulation = modulación por amplitud de pulso) y las PWM (Pulse Wide Modulation = modulación por ancho de pulso). Cada una de ellas posee características que las hacen ideales para ciertas aplicacion e s , a u n q u e s in in d u d a a lg u n a , la la s f u e n t e s t iipo PWM PWM han alcanzado mayor aceptación entre los distintos fabricantes. Fuent es tip o PAM PAM Las fuentes conmutadas tipo PAM se basan en el control de la amplitud de los pulsos a su salida; esta función la realizan mediante un conjunto de circuitos y dispositivos especiales que les permite variar la salida de voltaje de un transformador con una configuración muy particular de bobinados (figur a 1). En este transforma-
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dor existe un bobinado especial denominado "de control", en cuyas espiras circula una corriente qu e es pr oporcion oporcion al al vol voltaje taje de alguno de los secundarios del transformador principal. Si observa con atención, notará que dicho bobinado está en contrasentido con respecto al bobinado del primario. A través del bobinado de control circula tal cantidad de corriente corriente qu e, al restar restar la inducción magnética de éste con la del primario rio principal, principal, la la m agnitud de cam po m agnétiagnéti-
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nivel de voltaje que se obtiene del tran sformador es posible g en e r a r c a s i c u a l quier voltaje a la salida del circu ito con mutador; y no sólo eso, debido a la característica de realimentación con que cuenta, el circuito es capaz de detectar y corregir los desniveles que pudieran presentarse en el voltaje de alimentación de corriente alterna. Fu e n t e s t i p o PWM
co que llega a los secundarios del transformador es suficiente para generar los voltajes adecu ados en s u salida, lo cu al se trad u ce en u n esta do de operación estab le. Por el con tra rio, si el voltaje de los s ecu n darios comienza a disminu ir, la corriente qu e circula por el bobinado de control también disminuye, esto provoca una menor resistencia para que la inducción magnética del prima rio llegu e a los secu nd arios y se m an tenga así un voltaje adecu ado en su salida. Por otra parte, cuando las tensiones a la salida del transformador comienzan a crecer por encima de las especificaciones, a través del bobina do de contr ol circu la m ás corriente, lo que provoca mayor oposición a la inducción del primario y, por consiguiente, una reducción en las tensiones de los secundarios. Es fácil apreciar cómo gracias a tan ingenioso método, este tipo de fu ente es au torregulable, en la medida que modifica sus condiciones de operación para garantizar que sus voltajes de salida se mantengan ideales para la operación el televisor. Una vez obtenido, el voltaje del transformador es rectificado, filtrado y enviado al circuito de switcheo, de donde sale una señal pulsante; la altura de sus pulsos queda determinada por la amplitud de la tensión del transformador. Y como la duración de los pulsos siempre es constante, controlando el
Las fuentes conmutadas del tipo PWM son las que mayor aplicación han alcanzado en muy diversos campos de la electrónica (desde equipo ind u s t r ia l h a s t a c om p u t a d o r a s y a p a r a t o s e le ctrodomésticos). Las fuentes PWM son más flexibles, sobre todo por su mayor capacidad de absorción a variaciones bruscas del voltaje de entrada. También su construcción es más sencilla y su principio de operación es más fácil de entender; además, por lo general no necesitan elemen tos esp eciales (como varistores o bobinados en contrasentidos) para realizar su fu nción regu ladora. Básicamente, lo único que se necesita para obtener voltajes regulados de una fuente de este tipo, es un circuito que detecte constantemente el nivel de alguna de las salidas, para que al momento que se registre algu na variación se expidan las órdenes a decuadas al conmutador y el nivel vuelva a la normalidad. Recordemos que en las fuentes conmutadas aún se requiere un bloque rectificador qu e convierta la señ al de CA en voltaje de CD y, por supuesto, también debe incluirse un filtro para obtener un voltaje de CD lo más uniforme posible; es decir, sin las ondulacion es r esu ltant es d el rectificad o (figur a 2). Este voltaje se dirige al primario de un transformador de alta frecuencia (cuyo núcleo es de ferrita) que, por lo general, tiene
Fuentes de Alimentación Conmutadas
varios secu nd arios enca rgados de brinda r los diferentes voltajes que precisa el aparato. Enseguida aparece un dispositivo de conmutación, cap az de con ectar el voltaje de CD resultante hacia el nivel de referencia GND del primario. El dispositivo que se encarga de controlar la anchura de los pulsos de encendido al conmutador y, por consiguiente, los niveles de voltaje en los s ecun dar ios del tran sforma dor, es u n contr olad or PWM, el cu al recibe la referencia d e algu no d e los bobinados s ecun darios y de esa forma determina el ancho de pulso correcto. Actualmente, la incorporación en los circuitos de control PWM de la tecnología digital, los ha transformado en sistemas cada vez más económicos y precisos. En la salida del conmutador se deben colocar algunas etapas de filtrado (en la figura 2 se representa simplemente un diodo y un condensador, aunque la mayoría de los circuitos también emplean bobinas para minimizar el rizo a la salida); en esta etapa, se convierte la señal pulsante obtenida del switcheo en u n voltaje de CD perfecto. Aqu í es conveniente ha cer algu na s obs ervaciones relevantes sobre la operación de este conjun to: • Como se puede apreciar en los diagramas presentados, encontramos un puente de diodos conectado directamente a la línea de CA, sin tran sforma dor interm edio. Esta configuración requiere que los diodos empleados s e a n d e u n a t e n s ió n m á s a l ta q u e l os n o r m a les; por lo general, arriba de 500V. Además, la tensión de operación del filtro a la salida del rectificador debe ser de 350V, mínimamente, para que pueda soportar sin problemas la carga cuando el aparato se conecta en u na línea d e 220V de tensión altern a. • El dispositivo conmutador debe ser ca-
p a z d e m a n e ja r t e n siones y corrient es elevadas (podemos decir que una fuente conm u t a d a fu n c io n a d e manera muy similar a un fly-back y que el c on m u t a d o r h a c e la s veces del transistor de salida horizontal). En la actualidad es posible encontrar muy di3 versos dispositivos que hacen el papel de conmutadores (transistores bipolares, Darlington, MOSFET e incluso circuitos integrados). Una característica que permite identificar de inmediato al dispositivo conmutador, es que siempre está unido a un disipador de calor que le permite manejar de forma segura la potencia desperdiciada durante su labor de switch eo (figu ra 3). • El bloque controlador consiste, por lo genera l, en u n circu ito integrado qu e inclu ye casi todas las partes necesarias para el control del conmu tador. En la mayoría de casos, lo único que se añ ad e es la referen cia de voltaje y el reloj oscilad or. La fun ción d e este bloque con siste en detectar qu e el voltaje en la sa lida de la fu ente cumpla con las especificaciones requeridas; por lo tanto, precisa de una línea para alimentar una muestra de dicho voltaje y compararlo con sus referencia para determinar qué variación se debe hacer en el ancho del pu lso de con trol. Esta línea , en la a ctua lidad , se en vía, casi siempre, por medio de un dispositivo que garan tiza el aislam ien to qu e existe en tre el lad o "primario" de la fuente y el extremo "secundario". La aislación, a su vez, es recomendable para evitar qu e cua lquier ru ido en la línea de CA pueda perjudicar los circuitos del equipo y tam bién para imp edir qu e el ruido electromagnético producido por sus circuito salga hacia la línea de CA e interfiera con otros aparatos. • La etapa de filtrado es la encargada de obtener el valor promedio de voltaje de los pulsos a la salida del transformador. Por lo general, tan sólo se trata de un arreglo de diodos y capacitores conectados en configuración rectificador-filtro para obtener el voltaje de CD requerido, aunque en ocasiones se incluyen bobinas en serie con los diodos para redu cir au n m ás el rizo en la salida.
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guientes marcas: RCA/General Elec tric, Sony, Zenith, GoldStar, Panaso n i c , T o s h i b a y P h i l i p s . Y para apoyar nuestras explicaciones, ilustraremos el tema con diagramas en compoenentes, oscilogramas, etc. Esperamos de esta manera solucionar muchas de las dudas que probablemente usted tiene sobre el funcionamiento de las fuentes conmutadas y circuitos específicos. Por lo que se refieren a los circuitos de alimentación de televisores RCA y General Electric (que comparten el mismo chasis), nos referiremos a los chasis CTC-176 / 177 y CTC-185 , que son idént ic os e n a m b a s m a r c a s . Chasis CTC-1776/177
Fu e n t e s Co n m u t a d a s e n T e l e v is o r e s Co l o r C o m e r c i a l e s Hasta aquí expusimos los principios de operación de las fuentes de alimentación conmutada; podemos dar inicio, entonces, al an álisis de circu itos es pecíficos, con la inten ción de brindar al lector mayores elementos de juicio para el servicio, a la par de facilitarle la a similación de los tem as teóricos. Al respecto, describimos en ésta y en las próximas ediciones, los circuitos de alimentación de modelos representativos de las si-
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La s m a r c a s d e t e l evis o r e s R C A/ G E e m plean en algunos de sus modelos el chasis CTC-176/ 17 7 (figura 4), el cu al ut iliza u n a fuente de alimentación de tipo conmutado, que incluye un circuito integrado (U4101) y un transistor FET (figura 5). Este transistor a c t ú a c om o u n i n t e r r u p t o r y , c on j u n t a m e n t e con el tran sforma dor, forma u n circuito oscilador). Para la descripción del funcionamiento de esta fuente, nos basaremos en el diagrama real que reproduciremos en la próxima edición. ✪