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Fuentes Conmutadas

Service de Equipos Electrónicos 33

Fundamentos de las

Fuentes Conmutadas

En el momento actual las fuentes son tan complicadas que muchas veces debemos recu-

rrir a diferentes métodos para repararlas. Pretendemos que Ud. genere métodos seguros

de reparación. Pero existe una ayuda invalorable en las asociaciones de técnicos; hoy un

profesional que no visite asiduamente un foro como por ejemplo “YoReparo.com” no

puede reparar nada, se acabaron los tiempos del técnico solitario que reparaba de memo-

ria. Yo mismo no me animo a encarar un simple TV a TRC moderno si no tengo el corres-

pondiente manual de servicio del Club de Diagramas. Ahora bien, a la hora de escribir este

material me gustaría saber quien fue el científico que recibió la primer descarga inductiva

sobre su humanidad, porque seguramente él fue el inventor de la fuente conmutada. En

efecto, cualquier estudiante curioso que esté trabajando con inductores y baterías de baja

tensión, va a terminar generando alguna descarga sobre su cuerpo. Todos saben que las

baterías de baja tensión no producen descargas peligrosas, por eso es común manipular-

las sin precaución. Pero si su circuito tiene algún inductor, debe tener cuidado porque teó-

ricamente no existe un limite a la tensión que se pueda generar. Los 12V de la batería se

pueden transformar en miles de voltios si se utiliza un inductor adecuado y esa es la base

de las fuentes conmutadas.

Coordinación: Ing. Horacio Daniel Vallejo - [email protected] base a informes de: Ing. Alberto H. Picerno

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La BiBLia de Las Fuentes Conmutadas

IntroDuCCIón

Si Ud. quiere medir la resistencia del primariode un transformador de alimentación con el mul-tímetro y mantiene unido un cable del primario ala punta del multímetro con una mano y el otrocable a la otra punta del multímetro con la otramano; es muy probable que al abrir el circuitoreciba una descarga.

Suponemos que Ud. tiene un conocimientogeneral sobre el uso del laboratorio virtual queutiliza normalmente. Si no es así lo invitamos aque estudie las lecciones de “Simuladores deCircuitos en Electrónica Completa” disponiblesen http://electronicacompleta.com/simuladores-de-circuitos/ que seguramente lo va a ayudar adar sus primeros pasos.

Para empezar, vamos a armar un pequeñocircuito como el que mostramos en la figura 1 enMultisim y en la figura 2 en LiveWire para apren-der los principios fundamentales de las fuentesconmutadas. La idea es usar sólo una llave, uninductor y una batería de 1V. Pero como las lla-ves de los laboratorios virtuales tienen una resis-tencia infinita cuando están abiertas, la completa-mos con un resistor de 10MΩ en paralelo y unresistor de 1mΩ en serie que además nos sirvepara medir la corriente por el circuito.

El osciloscopio que nos permitirá ver las seña-les que se desarrollan tiene dos canales. Conuno medimos la tensión sobre la llave (rojo) y conel otro la corriente circulante por el circuito(verde).

Nota para usuarios de LiveWire: En el

LiveWire no es necesario agregar el resistor en

paralelo. Se debe ajustar el tiempo de simulación

entrando en la solapa: “tool → simulation →timing control” y ajustar allí la ventana “time base”

en 1µS. Luego se deben ajustar los ejes del grá-

fico a + - 1kV y a 120µS. Por último la llave pul-

sador debe predisponerse para ser operada con

la tecla A aunque también puede operarse con el

mouse haciendo clic sobre ella.

Observe que solo tenemos cinco componen-tes: una batería de 1V, una llave controlada por labarra espaciadora del teclado con un resistor enparalelo y un inductor de 1Hy. Además, tenemosconectado un osciloscopio sobre la llave. Ud.debe ajustar la base de tiempo del osciloscopio a200 mS/div es decir que para recorrer toda lapantalla de izquierda a derecha demora 2 segun-dos. La escala vertical del osciloscopio la predis-ponemos en una baja sensibilidad de por ejemplo10kV/div. En esas condiciones encendemos lamesa de trabajo y el experimento se pone enmarcha. Observe que el haz del osciloscopiodemorará mas de 1 segundo en llegar al centrode la pantalla (de acuerdo a la computadora queestá usando) el tiempo real puede no coincidircon el indicado en el reloj del experimento que seobserva en la parte inferior a la izquierda de lapantalla del Multisim.

Si el circuito es más complicado el programatarda más en realizar los cálculos y la graficación.Entonces el reloj del experimento avanzará más

34 Service de Equipos Electrónicos

Figura 1 - Archivo hecho en Multisim para aprender los fundamentos de las fuentes conmutadas.


Fundamentos de Las Fuentes Conmutadas

lentamente, de modo que para graficar un segun-do de la experiencia virtual se pueden tardar 10,20 o más segundos reales.

Primero vamos a analizar de qué depende elcrecimiento de la corriente. Comience con la llavecerrada y observe que la corriente aumenta arazón de 1A x segundo y que al abrir la llave seproduce un pulso positivo muy alto y luego otronegativo muy alto (en realidad es imposible sabercuál es el primero). Cambie el valor del inductor a500 mHy y verá que ahora cambia a razón de 2Ax segundo y el pulso sigue siendo muy alto.Vuelva al inductor de 1H (un Henry) cambie labatería a 2V y verá que la corriente aumenta arazón de 2A x segundo Esto significa que la velo-cidad de crecimiento de la corriente varía enforma directamente proporcional a la tensión apli-cada e inversamente proporcional a la inductan-cia del inductor. Y que si a un inductor de 1H sele aplica una tensión de 1V la corriente crece a1A en un segundo.

Estas relaciones son muy importantes en eltrabajo con fuentes conmutadas y le recomenda-mos al lector que cambie valores en el circuito yvea los resultados hasta familiarizarse con eltema. Cierre la llave con la barra espaciadoradurante diferentes tiempos y vuelva a abrirla.

Nota: si la llave no opera, lleve el puntero del

mouse a la mesa de trabajo y pique con el botón

de la izquierda, allí comenzará a operar la llave;

lo que ocurrió es que el control seguramente se

encontraba activo sobre el osciloscopio.

Observe que cada vez que abre la llave, luegode dejarla cerrada, se produce en la pantalla delosciloscopio un pulso de diferente tensión y quehay una relación directa entre tiempo de llavecerrada y sobretensión.

Este es un fenómeno inesperado pero expli-cable. Ocurre que un inductor es un componentereactivo del tipo de los capacitores, y un compo-nente reactivo acumula e intercambia energía. Elcapacitor guarda esa energía en forma de ener-gía eléctrica y el inductor en forma de energíamagnética.

La energía se acumula lentamente a medidaque crece la corriente y luego puede ser extraídaa una gran velocidad o viceversa. De acuerdo alcircuito esto puede producir sobretensiones otensiones reducidas que resulten interesantespara el diseño de fuentes conmutadas. Observeel lector que las tensiones se consiguen comoefecto de transferencias de energías y no comodisipaciones en resistores. En el primer caso, sitrabajamos con componentes reactivos puros(capacitores e inductores ideales) las transforma-ciones se realizan con un elevado rendimiento.En el segundo caso, dada la generación de calor,la transformación se realiza con un pésimo rendi-miento y sólo pueden ser realizadas en sentidodescendentes de las tensiones (si a una fuentede 12V se le conecta un divisor resistivo sólo sepuede esperar que la tensión baje).

Analicemos el caso de nuestro sencillo circui-to. Cuando la llave se cierra, comienza a circularcorriente por el inductor.


Figura 2 - Archivo hecho en LiveWire para aprender los fundamentos de

las fuentes conmutadas.

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¿Qué valor tendrá esa corriente inicial?

Sin ninguna duda debe comenzar con unvalor nulo que se va incrementando poco a poco.

La razón es muy simple y similar al capacitor,que se opone a los cambios de tensión sobre susplacas. Si está cargado con 100V y lo queremosdescargar con un resistor observaremos que latensión solo cambia gradualmente. Al mismotiempo puedo observar que si no conectó ningúnresistor sobre él; es capaz de mantenerse carga-do por un largo periodo de tiempo lo cual signifi-ca que su resistencia de aislación es muy alta(tenga en cuenta que un capacitor real es muyparecido a uno ideal). Como una importante con-clusión podemos decir que un capacitor se oponea los cambios de tensión.

El inductor es casi como la contrapartida delcapacitor. Se opone a los cambios de corriente ylo hace de la única manera posible; generandofuerzas contraelectromotrices, es decir que gene-ra una tensión que a su vez genera una corrientepor el mismo inductor que se opone al cambio dela corriente original. En nuestro circuito la corrien-te sube por ejemplo hasta 1A y en ese momentoabrimos la llave. Es evidente que al faltar la fuen-te de energía la corriente no puede seguir subien-do; pero el inductor no puede permitir que secorte; por lo tanto se va a reducir y al hacerlo vaa generar una tensión sobre él que aplicada alresistor de fuga generará una corriente algomenor a 1A y descendente. La velocidad del des-censo depende del circuito externo al inductor. Sisolo tiene la resistencia de 10MΩ debe generar

una tensión dada por la ley de Ohm de V = I x R= 10MV. En la simulación es menor (200kV) por-que la llave tiene cierta capacidad parásita quemodifica el circuito.

Llegado a este punto el lector estará pensan-do que recuerda muchas manifestaciones de lavida diaria del capacitor como acumulador deenergía, pero no recuerda ni una sola del induc-tor. Por ejemplo muchas veces recibió una des-carga por andar manipulando algún capacitor quehabía quedado cargado desde mucho tiempoatrás. Pero no recuerda que algún inductor lehaya producido ningún efecto por alguna cargarecibida con anterioridad. Por lo tanto parece quelos inductores no son capaces de acumular ener-gía.

Desde luego que no es así. Hay dos hechosque nos hacen equivocar escandalosamente:

* Un inductor real tiene elevadas pérdidas, por

lo que se descarga muy rápidamente.

* Para que mantengan acumulada la energía

magnética se los debe poner en cortocircuito y no

en circuito abierto como es el caso del capacitor.

Como vemos el inductor y el capacitor sonantagónicos en todo. El capacitor necesita quelas cargas acumuladas estén quietas en el die-léctrico y por eso se lo mantiene abierto. En cam-bio el inductor necesita que las cargas circulenpara producir un campo magnético y por eso selo debe mantener en cortocircuito. Si las cargasse detienen no generan campo magnético.


Figura 3 - Otra corriente final implica otra sobretensión.



En EEUU se construyó un inductor con unsuperconductor sumergido en helio líquido (amuy baja temperatura). Se le hizo circular unacorriente y luego se lo cortocircuitó. Y ese induc-tor viajo en avión por todas las universidades deEEUU para demostrar la teoría. Como no tene-mos el suficiente dinero para realizar la mismaexperiencia yo le pido que me crea: un inductorideal es capaz de mantener un campo magnéticoque lo rodee sin necesidad de consumir energía.

Volvamos a nuestro experimento virtual paraafianzar el conocimiento adquirido.

¿Qué le parece que puede ocurrir, si en lugar

de mantener la llave cerrada por un tiempo de 1

segundo la mantenemos cerrada por menos

tiempo?

La respuesta es evidente y se confirma en lapráctica. Como la corriente tiene menos tiempopara crecer el inductor genera una menor tensiónal abrirse la llave, que ahora llega a los 120kV,figura 3.

Este fenómeno es el mas importante de lasfuentes conmutadas porque gracias a él las fuen-tes conmutadas mantienen constante la tensiónde salida. Por eso le volvemos a pedir que jueguecon el circuito hasta que el fenómeno quede gra-bado en su mente.

¿Por qué razón la corriente crece lentamente

durante el tiempo en que la llave está cerrada?

Ya lo dijimos pero vale la pena repetirlo, por-que la corriente genera un campo magnético que

a su vez genera una tensión sobre el inductor quese opone al efecto de la batería; y cuanto másgrande es el inductor, más se opone a que lacorriente crezca rápidamente. Esto se llamaautoinducción y es la característica que define aun inductor.

Realmente se produce algo similar a lo queocurre con el capacitor, si lo queremos cargardesde una fuente de corriente; la energía eléctri-ca acumulada va depender del tiempo que lafuente esté conectada, figura 4. Por lo tanto, si lallave sólo se cierra un tiempo mínimo, el campoeléctrico acumulado también será mínimo y lamanifestación de este campo al cortocircuitar elcapacitor será prácticamente inexistente.

Realice varias pruebas, anotando el valor dela capacidad y el tiempo de carga hasta llegar acierta tensión o a la inversa la tensión de cargaen función del tiempo que dura cerrada la llave.Veremos que de modo similar a la inductancia, uncapacitor de 1 Farad se carga a 1V en el tiempode 1 segundo. Si realizamos otras medicionescon un valor de inductancia 10 veces menor sepodrá observar que la tensión crece a una veloci-dad 10 veces mayor.

Ahora conocemos el fenómeno y sabemoscómo variarlo, pero aún no sabemos todo:

¿Qué ocurre si no conectamos ningún resistor

sobre la llave? ¿cómo se produce la sobretensión

y hasta que valores puede llegar?

Es muy simple y fácil de comprender. Elinductor se opone a que cambie el valor de


Figura 4 - Circuito de carga de un capacitor.



corriente circulante por el circuito. Mientras lallave está cerrada la corriente va creciendo, porejemplo hasta llegar a 1A. Al abrir la llave se pro-duce un cambio notable en la resistencia del cir-cuito que pasa de unos pocos Ohm (en general laresistencia del bobinado) a un valor prácticamen-te infinito. En el circuito que utilizamos el inductores ideal y no tiene resistencia. La única resisten-cia existente es la agregada de 1mΩ evidente-mente despreciable. El inductor, por lo tanto, tratade modificar la tensión para que siga circulando1A y genera una sobretensión sobre la llaveabierta, con el fin de que circule corriente. Peropara que circule corriente por un circuito abiertose debe superar la tensión de ruptura del aire. Enla práctica se llega a generar tal tensión que seproduce un arco en la llave (observe como lasleyes de la electrónica tratan de cumplirse aún enlas peores condiciones y si no hay resistor dondehacer circular corriente, se lo crea haciendo sal-tar un arco en el aire o en el aislador que puedellegar a destruirlo).

“Es un caso extremo que no tiene utilidad

practica”, dirá Ud. No, es uno de los primeros fenómenos eléctri-

cos que el hombre utilizó desde comienzos delsiglo XX. En efecto así funciona el encendido deun automóvil que genera la chispa en la bujíapara que explote la mezcla de combustible y aire.

Vamos a hacer alguna prueba más conectan-do un resistor de 1kΩ sobre el inductor paraobservar cómo se reduce el pulso de sobreten-sión. Ahora, cuando se abre la llave, existe un

paso de circulación para la corriente y entoncesse cumple la ley de Ohm. En nuestro caso, porejemplo si abrimos la llave cuando la corrientellega a 1A esa corriente se deriva por el resistorde 1kΩ y por lo tanto genera una tensión dadapor la ley de Ohm. En efecto 1A x 1kΩ es igual a1kV, figura 5.

Para que se puedan observar los oscilogra-mas con más claridad, desplazamos el haz decorriente hacia abajo ubicando el eje verde tresdivisiones hacia abajo. Observe que la sobreten-sión llega en exactamente a 1kV. Podría haberllegado a un valor levemente inferior si conside-ramos que en el circuito hay capacidades distri-buidas en el inductor y en la llave que son unapequeña carga para la sobretensión. Esto nosindica que el Multisim realiza las simulacionescon un gran realismo teniendo en cuenta inclusi-ve las capacidades parásitas de los componen-tes.

LA FormA DE SEñAL DE LA SobrEtEnSIón

Hasta ahora sólo observamos la sobretensióncomo un pulso sin detalles. Llegó la hora deexpandir la escala horizontal del osciloscopiopara observar cual es la ley de variación de latensión. En principio debe considerar que el osci-loscopio de su Multisim tiene memoria, lo cualfacilita las observaciones de nuestro fenómeno(se trata de un fenómeno que no es repetitivo).En efecto, si fuera repetitivo podríamos utilizar el


Figura 5 - Cálculo de la sobretensión sobre un resistor conectado en paralelo con un inductor.



sincronismo de la base de tiempo del oscilosco-pio (que opera como el sincronismo de cualquierosciloscopio real) para detener las imágenes.Nosotros vamos a emplear el carácter de oscilos-copio con memoria para detenerla. Simplementetermine la simulación con la llave general de lamesa, amplíe el osciloscopio y ubique el pulso desobretensión sobre la pantalla con el cursor quese encuentra debajo de la misma, figura 6. Escomo si volviéramos el tiempo atrás y lo ubicára-mos donde más nos interesa. Inclusive podemosvariar las escalas para obtener imágenes amplia-

das en el tiempo o con mayor sensibilidad verti-cal. Esto es lo que hicimos en la figura 7.

Observe la forma de onda superior (corriente).Vea que no tiene cambios bruscos; cuando lallave se abre, la corriente que estaba aumentan-do, comienza a disminuir exponencialmentehasta hacerse nula debido a que la llave no seabre instantáneamente. Para completar el ejerci-cio vamos a agregar un capacitor sobre la llave.Vea las figuras 8 y 9 con un acortamiento de lostiempos.

Aquí tenemos un interesante efecto de trans-


Figura 6 - Forma real de la variación de tensión sobre la carga.

Figura 7 - Vista de la señal con la escala de tiempos ampliada en el tramo de

los flancos de la señal.



ferencia de energía y disipación, que debemosanalizar con todo detenimiento. En principio, éstees un circuito realmente muy utilizado desde prin-cipios del siglo XX (salvo por los valores de loscomponentes); es el circuito de encendido de unautomóvil. Todo comienza cuando los platinos secierran. Allí comienza a circular una corriente cre-ciente. En ese momento el capacitor está en cor-tocircuito y por lo tanto descargado. Cuando elplatino se abre, el inductor tiene su máxima ener-gía en forma de campo magnético. El inductor

tiene dos componentes conectados sobre el; unresistor y un capacitor. En principio puede olvi-darse del resistor que analizaremos más tarde. Elinductor debe mantener la corriente circulando ylo hace utilizando al capacitor. Cuando un capa-citor es recorrido por una corriente se carga. Elresultado es que comienza a aparecer una ten-sión sobre el capacitor que se hace máximacuando el inductor entregó toda la energía quetenía acumulada (la corriente es igual a cero y sepuede decir que campo magnético y corriente


Figura 8 - Oscilación amortiguada en la apertura de la llave.

Figura 9 – Oscilación amortiguada con el tiempo de barrido más corto.



son proporcionales). Allí no termina el fenómeno,ahora es el capacitor el que está plenamente car-gado y por lo tanto lleno de energía. Esa tensiónqueda aplicada al inductor y por él comienza acircular una corriente en el sentido contrario alanterior.

Si no existiera el resistor los intercambios deenergía magnética (L) y eléctrica (C) se produci-rían sin pérdida y durarían una eternidad. Pero elresistor existe y en cada ciclo transforma energíaen calor haciendo que los picos máximos seancada vez más pequeños hasta llegar a cero. Estaseñal tiene nombre, se llama oscilatoria amorti-guada y es el intercambio de energías que siguela ley mas común de la física.

EL ConVErtIDor DE tEnSIón

DE LAS VIEjAS AutorrADIoS

¿Dónde se utilizó el principio de las fuentes

conmutadas por primera vez en el campo de la

electrónica?

En los TV dirá Ud. No, fue en las radios paraautomóviles de los años 50 del siglo pasado. Enefecto el transistor no estaba difundido aún y lasradios eran a válvulas.

Requerían una tensión del orden de los 100Vpara el circuito de placa y en el automóvil solo

existían los 12V de la batería.Suponemos que inspirado en el propio circui-

to de encendido del vehículo a alguien se le ocu-rrió la idea de realizar un convertidor continua acontinua. En principio se necesitaba una llaveque interrumpiera la tensión continua de batería auna frecuencia considerablemente alta, luegoesa corriente pulsátil se hacia pasar por un induc-tor para generar una sobretensión y por ultimoesa sobretensión se rectificaba de modo que car-gara un capacitor electrolítico de alto valor.

En nuestro circuito, figura 10, utilizamos ungenerador de funciones y una llave controladapor tensión, pero en realidad se utilizaban unoscontactos que oscilaban unidos a un diapasón enuna frecuencia de aproximadamente 300Hz yque eran auto-oscilantes porque poseían unabobina que los energizaba por pulsos. Ni quedecir que este dispositivo que conmutaba mecá-nicamente a un ritmo tan acelerado duraba muypoco y era frecuente su recambio; tanto que esta-ba montado sobre un culote que a su vez des-cansaba sobre un zócalo para que se pudieracambiar sin desoldar.

Si Ud. cambia el tiempo de actividad del gene-rador de funciones, modifica el tiempo en que lallave está cerrada, cargando al inductor con uncampo magnético. Con un tiempo de actividadmás bajo, la llave está cerrada más tiempo el


Figura 10 - Fuente pulsada a vibrador para radio de auto a válvulas.



inductor admite más carga y genera una sobre-tensión mayor. Pruebe con diferentes tiempos yobserve la tensión indicada por el multímetro.

Hasta aquí hicimos un esfuerzo considerable,para explicar porque no es simple reconocer alinductor como un componente acumulador deenergía. Vimos que su hermano el capacitor espor fabricación casi ideal (tiene muy pocas pérdi-das) pero en el caso del inductor las pérdidas sonconsiderables (generalmente por la resistenciadel alambre).

Pero aún si fuera ideal, seguramente no se lotendría por un acumulador de energía dado queluego de cargarle un campo magnético, serequiere que permanezca en cortocircuito paraconservarlo.

Comenzaremos ahora, a ver circuitos prácti-cos. Veremos que nuestra llave debe ser reem-plazada por un transistor bipolar o MOSFET ynos detendremos a analizar las características deexcitación de los mismos para favorecer la velo-cidad de conmutación. En realidad se trata de untema que parece teórico pero es realmente prác-tico, ya que el recalentamiento de los transistoresestá absolutamente ligado a la excitación.

EL trAnSIStor bIPoLAr

Como LLAVE ELECtrónICA

Hasta aquí trabajamos con llaves movidas amano para generar tensiones defuente. Ahora reemplazaremos esasllaves por dispositivos electrónicosprácticos. Actualmente se utilizansolo dos dispositivos para realizarconmutaciones de potencia:

* Los transistores bipolares clási-

cos de potencia

* Los MOSFET (metal oxido semi-

conductor field efect transistor = tran-

sistor de efecto de campo con com-

puerta aislada).

Los transistores bipolares son his-tóricamente los más utilizados ya quese caracterizaban por su bajo costo ysu gran confiabilidad; sin embargoson difíciles de excitar y por esa razónla tendencia es a reemplazarlos portransistores MOSFET que práctica-mente no requieren potencia de exci-

tación y que actualmente menos que los transis-tores bipolares. En el momento actual existe unacombinación de transistor bipolar con MOSFETllamado GATOS que fueron creados con la inten-sión de combinar las ventajas del transistor bipo-lar en lo que respecta a su baja resistencia cuan-do conducen, con el manejo de la excitación através de una compuerta aislada. Por el momen-to estos dispositivos son caros, pero no dudamosque en poco tiempo mas estarán presentes comouna propuesta más.

Nosotros estudiaremos las diferentes llavescomo elementos disociados, pero recuerde quela tendencia actual es incluirlos dentro de un cir-cuito integrado híbrido o monolítico. Sin embargo,dada las dificultades de fabricación, la mayorparte de las fuentes están resueltas en un circui-to integrado monolítico que posee hasta la etapadriver. El circuito se completa con la llave depotencia que se ubica en las cercanías. No obs-tante recuerde que todas las variantes están pre-sentes en algún caso particular; a saber:

* Circuito integrado monolítico con llave de

potencia externa.

* Circuito integrado monolítico con llave de

potencia interno.

* Circuito integrado híbrido con llave de poten-

cia interna.

* Circuito discreto.

Los transistores bipolares, originalmente dise-


Figura 11 - El transistor polarizado en la zona activa.



ñados como amplificadores lineales son utiliza-dos actualmente como llaves digitales. En losamplificadores lineales los transistores puedentomar un estado de conductividad entre el colec-tor y el emisor que depende de la corriente apli-cada a la base.

En la figura 11 podemos observar un simpletransistor BC548 excitado desde una fuente detensión continua y con un resistor de colector de1kΩ

Se trata de un circuito muy simple con unpotenciómetro que opera como si fuera una fuen-te de señal continua, un transistor y dos resisto-res. Uno para polarizar la base y el otro comocarga de colector, para poder observar si Q1 esequivalente a una llave abierta o cerrada.

La idea es observar las características del cir-cuito con el transistor usado de llave. Observeque según la posición del potenciómetro, la jun-tura de base conduce y se genera una corrienteindicada por la tabla de base. Inicialmente debeajustar el potenciómetro con la tecla A para bajar(y A y mayúsculas para subir) para obtener unatensión de colector de 6V. En estas condicionesse puede decir que entre el colector y el emisordel transistor se produce una resistencia de 1kΩobtenida por el cociente de la tensión y la corrien-te indicada por la tabla de colector.(6,16V/5,84mA =1.054kΩ).

Nota: En las tablas aparece una frecuencia

que no es más que el ruido del circuito, no la

tenga en cuenta.

Evidentemente, en este caso, estamos muylejos de poder considerar al transistor como unallave cerrada, sobre todo porque si hacemos cir-cular una corriente alterna por el colector encon-traremos que se genera la correspondiente ten-sión alterna.

Nota: I1 es un generador de corriente alterna

y no el clásico de tensión alterna, puede conside-

rarlo como un generador de tensión inteligente

que mide la resistencia del circuito y ajusta la ten-

sión para que circule la corriente elegida que en

este caso es de 3mA, figura 12.

Observe que el osciloscopio indica que en elpunto donde se inyecta la señal existe una resis-tencia considerable (exactamente 266 Ohm) por-que con una corriente alterna de 3mA se produceuna caída de tensión de unos 0,8 V eficaces.

Para que el transistor se comporte como unallave cerrada debe tener una resistencia entrecolector y emisor de un valor despreciable.Veamos que sucede si se incrementa la corrientede base con el potenciómetro mientras se obser-va la caída de tensión en el osciloscopio. Comovemos la tensión alterna se va reduciendo hastahacerse prácticamente despreciable cuando la


Figura 12 - Transistor en conducción activa.



tensión continua de colector del transistor llega aunos pocos mV.

Recién allí podemos considerar que lallave/transistor se cerró. A esta condición se lallama condición de saturación del transistor por-que un nuevo incremento en la corriente de baseno provoca una nueva reducción de la resistenciaequivalente entre el colector y el emisor del tran-sistor. De cualquier modo no se puede decir quela llave tenga resistencia nula, sino que tiene unaresistencia baja que depende del transistor utili-zado y de la condición de saturación. También sepuede decir que lejos de la saturación, a todoincremento de corriente de base, le correspondeun incremento de la corriente de colector casiconstante. Pero cuando se llega a tensiones muybajas de colector a emisor a un incremento dadode corriente de base no le corresponde el corres-pondiente incremento de la corriente de colectory entonces se dice que el transistor está satura-do.

Aconsejamos al lector que siga realizandoexperiencias con el circuito de la figura 12 levan-tando y bajando la tensión del potenciómetro. Yobservando como cambia la tensión alterna ycontinua de colector.Calcule el valor equivalen-te de resistencia en cadacaso.

CArACtEríStICAS

DE LA LLAVE

“trAnSIStor bIPoLAr”

Para que un compo-nente pueda recibir elnombre de “llave” debetener:

* Una resistencia baja

al estar cerrada (resisten-

cia de conducción).

* Una resistencia ele-

vada cuando está abierto

(resistencia de aislación).

De hecho el transistorsin excitación de base esun aislador entre colectory emisor ya que sólo circu-la la corriente de fuga.Pero esa corriente no es

nula y debe ser considerada. Esa corrientedepende de la tensión inversa aplicada a labarrera base emisor y se llama condición de blo-queo. Genéricamente podemos decir que no essuficiente que la tensión de base a emisor estépor debajo de 600mV para asegurar que el tran-sistor esté cortado. De hecho debemos recordarque el semiconductor utilizado está sometido a laaplicación de tensiones de colector muy elevadasluego del corte. Y un corte poco eficaz causa sudestrucción inmediata.

Por lo general un diseñador asegura que en elmomento del corte se produzcan por lo menostensiones inversas de base del orden de los 2 a 3volt. Mayores tensiones pueden ser contraprodu-centes sobre todo si se generan a baja impedan-cia ya que la juntura no soporta más que algunadecena de voltios en inversa.

Aquí es importante realizar un análisis de latransformación de energía eléctrica en térmicaporque la mayoría de los problemas no catastró-ficos de las fuentes se deben a algún problemade este tipo.

Cuando la llave esta abierta, tiene una grantensión aplicada pero no circula corriente por ella;


Figura 13 - Excitación de una llave transistor.



por lo tanto la disipación (W = E x I con I = 0) seránula. Cuando la llave está cerrada circula unaelevada corriente por ella, pero la tensión sobrela misma será prácticamente nula (W = E x I conE = 0). Desde luego que estamos hablando decondiciones ideales que no siempre se cumplen.En realidad existe cierta caída de tensión sobre lallave cerrada y cierta corriente circulando con lallave abierta, pero la potencia generada no sueleser importante y puede despreciarse.

¿Esto significa que la llave no se calienta?

No, de ninguna manera. Se puede calentar ymucho. Lo que queremos decir es que no secalienta por la disipación cuando está cerrada ocuando está abierta.

¿Y cuándo se calienta entonces?

Se calienta en el preciso momento de la con-mutación, cuando pasa del cierre a la apertura, ode la apertura al cierre. En conclusión: si la con-mutación es rápida (flanco abrupto de la tensiónde base) y ocurre pocas veces por segundo (fre-cuencia baja), hay poca disipación. Si es lenta o

se repite muchas veces por segundo hay muchadisipación.

¿Y de qué depende que un transistor conmu-

te rápidamente?

Depende de su circuito de excitación. En lafigura 13 mostramos un simple circuito realizadocon un transistor de conmutación Zetex tipoCTX658. Observe que simplemente debe conmu-tar una carga resistiva de 10kΩ sobre una fuentede 100V.

En la pantalla del osciloscopio, ubicamos laexcitación de base en la parte inferior (con el ejecero en –5V) y la tensión de colector en la supe-rior. Observe que la señal de excitación es unaonda cuadrada de 10V de una frecuencia de20kHz.

El oscilograma de base está muy lejos de serrectangular, así que lo primero que le pedimos alalumno es que tome la punta conectada al colec-tor y lo conecte sobre la salida del generadorpara estar seguro que el problema no es degeneración. Una vez que haya comprobado queel generador tiene una onda perfectamente rec-

tangular con los flancosbien verticales le pedi-mos que reconecte elosciloscopio en el colec-tor.Observe en la figura 14que la señal de colectorsigue a la de base conbastante exactitud salvola amplitud y la inversiónde fase propia de un tran-sistor (recuerde que elcanal B del osciloscopiose puede invertir con latecla – para hacer com-paraciones mas exactas).Observe que cuando latensión de base se haceinversa el transistor secorta y la tensión decolector sube hasta elvalor de fuente. Cuandola juntura de base sepolariza en directa, eltransistor se satura y latensión de colector llegaprácticamente a cero. Lacorriente de colector sepuede observar sobre el


Figura 14 - Oscilograma de tensión de entrada y

corriente de colector.



resistor R3 en serie con elmiliamperímetro.

En la figura 14 sepuede observar la corrien-te de colector junto con laseñal de salida del gene-rador. Observe que des-plazamos los ejes paraque las señales se pue-dan observar mejor (arri-ba se observa la corrien-te). Observe que ademásde la inversión de fasehay pequeños corrimien-tos del orden de 1 o 2µSque son una falla del cir-cuito que deberemosmejorar.

Observe que I(dc) indi-ca 4,94mA es decir prácti-camente 5mA. En efecto,el transistor conecta unresistor de 10kΩ sobreuna fuente de 100V yhace circular 10mA, perolo hace sólo durante lamitad del tiempo. Esto sig-nifica una corriente pico I de 10mA y una prome-dio de 5mA. En realidad los retardos del transis-tor se comportan de modo tal que el periodo deactividad es menor y por eso la indicación es desolo 4,94mA.

Si cambiamos la resistencia de base para

excitar la base con menor impedancia, encontra-mos que con R1 de 100 Ohm la forma de señalen colector se corrige, haciéndose mas parecidaa la del generador, figura 15. Además la tablaahora indica 5,31mA. Es decir que mide más delo ideal pero que como ya sabemos es más pare-


Figura 15 - Forma de señal de corriente de colector con

R1 de 100 Ohm.

Figura 16 - Oscilograma de V e I de colector.



cido a lo real porque ahora la corriente de colec-tor tiene un tiempo de actividad muy cercano al50%.

Las oscilaciones que se producen en el flancoascendente se deben a que el Multisim es tanexacto en sus simulaciones que considera lascapacidades e inductancia parásitas del transis-tor BC548B.

En nuestro caso esas oscilaciones no nosmolestan así que las pasamos por alto.

Para entender dónde se producen las perdi-das del circuito debería utilizarse un graficador depotencia instantánea. Solo que ese instrumentono existe en la realidad. Con el Multisim se puederealizar una graficación de V de colector y I decolector para observar en que momentos se pro-duce potencia W (recuerde que W = E x I).

Observe que la gráfica de potencia de la figu-ra 16 estaría siempre a nivel bajo, salvo en lasconmutaciones en donde se producen dos picosimportantes porque allí se observan valores dife-rentes de cero para ambas señales. (I y V). Larazón es que durante las conmutaciones se obtie-ne tensión y corriente al mismo tiempo, no porquelo exija la carga sino porque la corriente de colec-tor no llegó a cero cuando la tensión aplicada

todavía persiste (lentitud dela llave). Lo más importantees reducir esos picos depotencia tanto en amplitudcomo en duración, porqueesto significa que se mejoróel rendimiento del sistema.Analizaremos ahora porqué razón se producenretardos en la conmutaciónde una llave transistor(observe en la figura 16 quellegan a valores de unos3µS) y cómo se los puedemejorar.Un transistor llave debe tra-bajar saturado. Esto signifi-ca que la juntura base emi-sor tiene más portadoresque los necesarios paraque la tensión de colectorllegue a un valor nulo. En lapráctica alcanzaría con elvalor justo de corriente queproduzca la saturación,pero eso es absolutamenteimposible de asegurar en la

práctica. En efecto, una producción real de tran-sistores no puede mantener invariable un factorde amplificación de corriente (beta) determinado,por lo tanto el circuito se debe diseñar para quela corriente de base alcance con el transistor masduro de la producción y por las dudas se debe darun factor de seguridad de por lo menos el 20 o el30%.

Imaginemos al transistor saturado al final delperiodo de conducción. En la base existen másportadores que los necesarios para producir lasaturación. Si en ese momento simplemente seinvierte la tensión de base no podemos suponerque la juntura de colector se abra inmediatamen-te.

En efecto, hasta que la juntura de base no sevacíe el colector no se entera del cambio de lacondición del generador. Los portadores extraspueden considerarse acumulados en el capacitorparásito de base emisor y se los debe extraer lomas rápidamente posible. Y como sabemos lacorriente necesaria para vaciar ese capacitordepende tanto de ese valor de capacidad comodel circuito externo.

En nuestro circuito de ejemplo la corriente debase se puede modificar de dos modos:


Figura 17 - Reducción del tiempo de cruzamiento de V e I.



* Modificando la resis-

tencia de base.

* Modificando la tensión

de salida del generador.

Ambos efectos pare-cen iguales pero no loson. Los portadoressobrantes se pueden reti-rar más rápidamente si seutiliza un circuito de bajaimpedancia y si no sehace circular más corrien-te que la necesaria. Si edi-tamos las característicasdel transistor utilizado,nos encontraremos que elbeta promedio del mismoes de 170. En nuestro cir-cuito utilizamos una ten-sión directa de base de5V (10Vpap de onda cua-drada) y un resistor de10kΩ. La corriente quepasará por ese resistordespreciando la tensiónde barrera del transistores de 5V/10kΩ = 0,5mA. Con esa corriente podrí-amos hacer circular hasta una corriente de colec-tor de 0,5 x 170 = 85mA pero solo estamoshaciendo circular una corriente de 100V/10kΩ =10mA. Es decir que estamos sobreexcitando altransistor en un orden de 8,5 veces. Los portado-res de carga están en una cantidad 8,5 vecesmayor que la necesaria.

La solución en nuestro caso no pasa poraumentar el valor de resistencia porque en esecaso tardaremos más en descargar al capacitorde base.

Lo que conviene hacer es reducir la tensiónde base y al mismo tiempo el resistor de base.Por ejemplo intentemos reducir el resistor a 100Ωy ajustemos la corriente de base para que tengaun valor igual a doble de lo necesario es decir10mA / 170 x 2 = 0,12mA.

Observe cómo se reduciría la duración de lospulsos de potencia instantánea debido a que elcruzamiento de V e I es ahora mucho más corto.En realidad la amplitud de los pulsos de potenciainstantánea no se reducirían mucho, pero si loharía la duración, que prácticamente se anuló.

La mejora en el rendimiento general se puedeobservar en el circuito de la figura 17 en donde se

puede observar como prácticamente se anula eltiempo en donde se cruzan la tensión y la corrien-te. Al mismo tiempo se puede observar que en latabla, la corriente de la fuente pasó de un valor de5,3mA cuando excitábamos con 10kΩ a un valorde 5,18mA con 100Ω.

No vamos a abandonar nuestro circuito, sinantes observar con más detalle la forma de señalde corriente de base, pero esta vez junto con lade tensión de base.

Observe que para hacer conducir al transistorprimero aparece la tensión positiva de base, figu-ra 18. En ese preciso momento se genera un picode corriente de base que carga al capacitor de lajuntura y una vez que esta cargado comienza aconducir el colector porque se satura el transistor.Observe que el operativo de carga del capacitordura muy poco (despreciable con una base detiempo de 1µS/div) cuando antes duraba unostres microsegundos.

También se puede observar que cuando secorta el transistor se produce un corto periodo decorriente negativa de base. Esa corriente se debea la extracción de los portadores sobrantes de labase cuando el generador pasa al semiciclo

negativo. J


Figura 18 - Oscilograma de la corriente de base.


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