Este tutorial es solo para aquellos que deseen, de la forma lo
mas sencilla posible, conocer como funciona realmente una fuente conmutada
(para los que vieron muy sencillo el tutorial de reparación, aun a pesar de que
esa es su finalidad). Lo monte a partir de un curso sobre hardware.
Este rollo que sigue pretendía ser tan solo una introducción
de 10 líneas a las fuentes conmutadas que llevan los pc’s, pero mientras iba escribiendo, vi que quizás debía
antes explicar lo más básico de la electricidad para su mejor comprensión.
Indicar que para la mejor comprensión, se usan símiles con el agua, pues es más
fácil entender cosas que se pueden “ver” que las que no, así una pila se puede
comparar con un depósito de agua, la presión del agua con la intensidad eléctrica,
y el volumen de agua con el voltaje, aunque a veces no tenga una relación
directa, puede ayudar a su comprensión. Las medidas que se citan en algunos
casos, sobre todo las relacionadas con el agua, solo son como ejemplo e
inventadas. En algún momento digo más o menos: “es mas difícil hacer tal cosa”,
en estos casos me refiero con la técnica disponible en el siglo XIX o
principios del XX, no con la técnica actual. Por norma general, se
piensa que todo lo relacionado con lo eléctrico o electrónica es muy sencillo,
y que dando una patada a una farola aparecen inventos que nos hacen la vida más
fácil, pero nada más lejos de la realidad, en tan solo un simple interruptor
hay quizás días o semanas de
investigación, sobre todo durante el primer desarrollo, por lo que hay que
darle a cada cosa su valor de alguien que ha sacrificado miles de horas y
dinero en ello, para en la mayoría de veces morir en la miseria y despreciado
por la sociedad hasta pasados cientos de años, cuando entonces se le considera
un sabio (casos reales de la historia, no mi opinión). La electricidad es el
flujo de electrones a través de un hilo conductor, normalmente de cobre y
recubierto de aislante. Hay los electrones y los protones, negativos y
positivos respectivamente. Yo
personalmente aun no sé el sentido de la
corriente eléctrica, o sea, si el sentido es de negativo a positivo o viceversa,
pues según la época esta teoría varía. Actualmente se dice que circula de
positivo a negativo. Como ejemplo diré que tengo un aparato de medición
(tester) de hace unos 30 años, en el cual la corriente circula de negativo a
positivo (según las indicaciones externas), y en los estudios que realicé hace
25 años, esto es lo que estudié. En este texto usaré la teoría de que el sentido
es de positivo a negativo.
Para que haya circulación de corriente, ha de haber una
“diferencia de potencial”. Esta DDP, que tan complicado parece, con un símil
hidráulico se puede entender rápidamente. Tenemos un deposito lleno de agua a 5
metros de altura y otro en el suelo, ambos conectados por una tubería. El
deposito que está a 5mts tiene una DDP mas alta respecto el inferior, el agua
circulará hasta el deposito inferior, y si por el medio ponemos un molino, éste
girara, y así hasta que los niveles se igualen. Es el principio de los vasos
comunicantes. Pues bien, en electricidad hay un “deposito” (borne de batería)
que se llama positivo que tiene una tensión muy alta respecto otro borne que es el negativo, si
unimos los dos bornes con un cable, la energía fluirá de positivo a negativo
hasta que la energía (como el agua) esté al mismo nivel, o sea, la batería se
descargará. Si ponemos una bombilla en medio (un molino en el caso del agua)
ésta se encenderá cuando la corriente la atraviese. Si desconectamos uno de los
bornes, no circula energía, la bombilla se apaga. (si quitamos una tubería el
agua no circula y se queda en el deposito superior)
Hay dos tipos de
electricidad, la corriente continua (cc o dc en inglés) y la corriente alterna
(ca o ac en inglés, es la utilizada actualmente en todo el mundo). En
principio, los primeros generadores de cc eran baterías de ácido para posteriormente
pasar a ser dinamos. La primera central eléctrica la fundó Thomas Alva Edison,
(de entre todos, el inventor que admiro especialmente. Patentó más de mil
inventos), fue en Nueva York y consistía en una dinamo, un “poco” mas grande que las de las
bicicletas, pero dinamo al fin y al cabo. Hay muchos inconvenientes para
utilizar este tipo de corriente, digamos “natural”, (pues es el tipo que genera
la naturaleza), entre ellas que hay una
polaridad que respetar, hay un positivo
y un negativo, por lo que si se conecta al revés se estropea el elemento
conectado a él, es más mortífera que la alterna, (con ello no queremos decir
que no se haya de tener precaución al manipular cables, NUNCA debe hacerse bajo
tensión si no se tienen conocimientos suficientes de electricidad y sus
peligros). Otro inconveniente es que es complicado convertirla de un valor alto
a uno bajo, pero imposible era convertirlo de uno bajo a uno alto. Otro
elemento para buscar otro tipo fue las pérdidas del cable, que son muy altas en
cc, o sea, si en casa necesitamos 220 voltios, de la estación habría de salir
240 voltios. El motivo? Pues al igual que un suministro de agua tiene pérdidas
de presión al aumentar la distancia, la corriente eléctrica también tiene
pérdidas cuanto más larga sea la distancia entre el generador y el destino
final, necesitando por cada calle (ejemplo) pues una central eléctrica generadora.
Las primeras casas tendrían 240 voltios, a 100 mts tendríamos 220v, y a 200mts
tendríamos solo 200v. (cifras de ejemplo). Buscando una solución, se desarrolló
la corriente alterna, y con ella se solucionaron muchos problemas, pero
aparecieron otros, fácilmente
solucionables. Una ventaja es que la pérdida por los cables es menor, se puede elevar
o disminuir el voltaje MUY fácilmente, con un simple transformador. Por lo
tanto, si se eleva la tensión a 50000 voltios, y pierden 20v en 500mts, el % es
inapreciable en comparación a perder 20 voltios partiendo de 220, Como ejemplo,
si tengo (jajaja) 50.000 euros y pierdo 20, apenas me enteraré, pero si tengo
220 € y pierdo20, sí que me enteraré.
Uno de los inconvenientes es que es un poco mas difícil el generarlo, el
otro es que no es compatible con la electrónica, la cual necesita una polaridad
constante, pero tienen soluciones muy sencillas en un 99,99%. Recordemos que la
cc, el cable rojo siempre es positivo y el negro siempre es negativo, con la
corriente alterna no es así, varía un numero de veces por segundo, en caso de
la red comercial 50 Hz por segundo, o sea, 50 veces el cable rojo seria
positivo y 50 veces negativo, esto cada segundo. La bombilla que tenemos
encendida, hace un parpadeo, pero al ser tan rápido el ojo, gracias a la
persistencia de la retina, no lo apreciamos, pero en el fluorescente si que se
aprecia algo de parpadeo, debido a la naturaleza del tipo de lámpara. Para
pasar de cc a ac es (era) imposible, pasar de ac a cc es extremadamente
sencillo, basta con un simple diodo.
El diodo es como una válvula de agua, deja
pasar corriente (agua) en un solo sentido, de ánodo a cátodo, impidiendo que circule
al revés. Este es el circuito rectificador mas sencillo. Pero la corriente
obtenida no es pura, hay rizado, o sea, restos de alterna. Aunque en el esquema
hay un diodo (rectificación de media onda), normalmente se usan dos o cuatro
diodos, para reducir el rizado rectificando la onda completa, se llama
“rectificación de onda completa”al “aprovechar” tanto los ciclos positivos como
los negativos, pues en el de media onda solo se aprovecha la semionda superior,
la positiva. Como la tensión resultante ha de ser lo mas pura posible, se añade
un condensador electrolítico, con lo cual se consigue una tensión filtrada
eficaz elevada 1,4 veces (raíz cuadrada de 2). Pero no está lo suficientemente
pura para los circuitos actuales, y la estabilización es nula. Uno de los
enemigos mas poderosos de los semiconductores es la tensión, (el otro es el
calor). Si un circuito x aguanta 12 voltios, no le apliques un voltio de más,
que tendrá los segundos contados y se destruirá, y no hablemos de los circuitos
que hay en los ordenadores, algunos van a 3,3 voltios o incluso menos, aquí sí
que un aumento insignificante” de 0,2
voltios puede causar una catástrofe en cuestión de milisegundos, sin tiempo de
quitar la mano del interruptor ya está el daño hecho. Para mejorar ambas cosas,
estabilidad y filtrado (circuitos no muy sensibles), se añaden unos circuitos
integrados llamados “reguladores”, muy
extendidos por su fácil conexión a un circuito, son la serie 78xx, donde xx es
igual a la tensión que obtenemos en su salida. Así 7815 indica que en la salida
tenemos 15 voltios.
El “78” también tiene un significado, el cual indica que la
tensión de entrada y salida es positiva. Para usarlos con tensión negativa,
existen los 79xx. Constan de tres pines: entrada, masa y salida. La corriente
máxima recomendable para estos reguladores es de 1 Amperio, y la tensión mínima
de entrada ha de ser 2 voltios por encima de la de la salida, así, si queremos
usar un 7812, en la entrada ha de haber 14 voltios mínimo. El máximo también
tiene un límite por dos motivos: uno es que la máxima entrada que admiten estos
circuitos es del orden de 30 voltios, y además, que cuanta mayor diferencia
haya entre entrada y salida, mayor temperatura alcanzará el circuito, pues P=VxI
, donde P es la potencia en watios, V la tensión diferencia e I la intensidad
que circula. Pongamos un ejemplo, una tensión de entrada de 24 voltios y una
intensidad de 1 Amperio para una salida de 12 voltios. P=(24-12)x 1 = 12 watios
que el integrado ha de disipar en forma de calor y que no es potencia útil. Por
el contrario, si en la entrada tenemos 14 voltios, la potencia que ha de
disipar es: (14-12)x 1=2 watios que se “pierden” e forma de calor, en este caso
trabaja más desahogado el IC. De todas formas y según el consumo del circuito
conectado, es conveniente poner un disipador en estos circuitos, mayor cuanto
mayor sea la intensidad. Hay integrados reguladores variables, que con una
resistencia y un potenciómetro podemos conseguir una tensión variable de 1,25
voltios hasta 2 voltios por debajo de la tensión de entrada, pero como en el
caso anterior, cuanta mayor sea la diferencia entre entrada y salida, mayor
será la disipación “inútil” de calor. Estos reguladores son los LM317T y
también es aconsejable no superar el Amperio de consumo. Para amperajes mayores
existen unos reguladores variables idénticos, pero con encapsulado TO3 y
soportan hasta 5 Amperios. Se trata del LM338. Para solventar el tamaño y
rendimiento escaso que tienen las fuentes lineales, a principios de los años 60
se desarrollaron para usos militares y misiones espaciales, las fuentes
conmutadas. Con aproximadamente el mismo tamaño, éstas son capaces de entregar
aproximadamente 10 veces más amperaje que las convencionales, y aunque en sus
principios eran extremadamente complicadas, hoy en día son relativamente
“sencillas” y las encontramos en cualquier artilugio de “cinco duros”. Pero han
sido necesarios bastantes años de investigación para conseguir materiales
adecuados, básicamente para los núcleos de los transformadores “chopper”
(troceador en inglés, pues “trocea” una tensión). En sus principios
comerciales, en los años 80, se las conocía como “fuentes frías”, mas que nada
en comparación con sus antecesoras las lineales. Los elementos básicos para una fuente
conmutada son: un puente rectificador, un condensador de filtro general, un
transformador chopper, un integrado que controle un transistor conmutador, y un
optoacoplador. Este tipo de fuentes tiene dos partes, un primario que es donde
entran 220 voltios de la red, y un secundario, que es donde se conecta el PC, o
sea, la manguera de cables está en el secundario, y la masa está separada
eléctricamente del primario. Este punto es muy importante en cuanto a seguridad
personal. (Ver abajo)
El funcionamiento
básico es el siguiente : Entran los 220
voltios alterna del enchufe, los rectifica el puente y filtra con un
condensador, ahí tenemos una cc del orden de 300 voltios. Esta se aplica en una
entrada del transformador, y el otro lado se conecta en el colector del
transistor, estando el emisor a negativo o masa. Un transistor es básicamente
como un interruptor, y la base sería nuestro dedo que lo acciona.
En estos
momentos, en la base no hay ninguna orden que el transistor deje pasar
corriente, por lo que la corriente está almacenada en el condensador(el
condensador es también como un deposito de agua). No hay circulación, por lo
tanto no trabaja y no hay tensiones en el secundario. Ahora le damos la orden a
la base (nuestro dedo en el interruptor) )para que conduzca, por lo tanto la
corriente ahora llegará hasta el colector, saldrá por el emisor y a través de la masa
(separada del secundario, mirar bien los dibujos) alcanzará el negativo del
puente rectificador, ha habido una circulación de corriente y ahora decimos a
la base que corte la conducción. (Esto sucede más de 30000 veces por segundo).
La corriente que ha pasado a través del primario del chopper ha creado un campo
magnético, campo magnético que a través del núcleo llega al bobinado del
secundario, el cual “convierte” el campo magnético en tensión pulsante entre
sus bornes. Un extremo de una bobinado va a masa (otra vez, fij arse que es
diferente la masa del primario a la del secundario) y el otro a través de un
diodo. Aquí el 99,99% de las veces solo se rectifica media onda. Se filtra y ya
tenemos la tensión que deseamos, pues los transformadores ya están fabricados
para entregar unas tensiones precisas, y no es necesario reguladores. De una de
las salidas se toma una muestra, y a través de una resistencia se aplica a un
diodo LED que está al frente de un fototransistor (un transistor que reacciona
ante la luz). El motivo de usar optoacopladores es la separación de masas, pues
ha de haber “comunicación” entre primario y secundario, pero no eléctrica, y una de las maneras es por luz. Estos
elementos están encerrados en una sola pieza. El circuito regulador esta prefijado
de fabrica y tiene una tensión de referencia x. que la comparará con la muestra
que viene del secundario, y según sea ésta, hará una cosa u otra. Imaginemos
ahora que la fuente está trabajando al 70% de conmutación y la tensión en el
secundario aumenta, el LED del opto se ilumina más, el fototransistor recibe
mas luz, como está conectado al integrado regulador, la tensión que recibe del
secundario es muy alta con respecto la referencia que tiene prefijada, el
circuito integrado disminuye la amplitud superior de los impulsos al 30%, ahora
el transistor está mas tiempo en reposo que conduciendo, por lo tanto hay menos
paso de energía por el chopper, en el secundario, obviamente ha bajado también
la tensión, el LED se ilumina menos, el fototransistor recibe menos luz, ahora
en el integrado está mas baja la muestra que la referencia, y el integrado sube
(por ejemplo) la conmutación al 60%. Ahora vuelve a estar muy alta, y se repite
el proceso más de 30.000 veces por segundo, por lo que la tensión en la salida
es muy estable. Este rollo es a grosso modo, el principio MUY básico de una
fuente de alimentación conmutada. Evidentemente lleva mas cosas, como circuitos
de arranque, control muy sofisticado de las salidas, protecciones ante
cortocircuitos o sobrecargas, etc.
IMPORTANTE SOBRE LA
TOMA DE TIERRA
La masa de un
secundario en las fuentes conmutadas es “flotante”, no tiene ningún punto de
referencia con los 220 voltios del
primario, por lo cual HAY que conectarlo a tierra para evitar sacudidas. Al poner en un mismo potencial la carcasa del
ordenador con el suelo que pisamos, es imposible que nos dé corriente. Os
habéis fijado en los pájaros? Se posan en los cables de alta tensión y no pasa
nada, porque tocan UN solo cable. Si nosotros tocamos UN solo cable no nos
pasará nada, y al tocar al mismo tiempo el suelo y la carcasa que está a este
mismo “suelo”(tierra), tan solo tocamos UN cable, es como si fuéramos pájaros.
Al poner a tierra cualquier carcasa metálica de cualquier electrodoméstico, es
como si tocáramos el suelo, la ddp respecto al suelo es cero (en el ejemplo del
principio, los depósitos tienen la misma cantidad de agua). PERO ATENCIÓN ! Si
tocáis un enchufe, éste (la red comercial) SI que tiene una referencia de
tierra, por lo tanto, el segundo cable es el suelo que pisamos, como en el
metro o tren, que las vías son tierra, y el polo activo es la catenaria, por
eso se pueden pisar las vías, que no ocurre nada, es lo mismo que pisar el
suelo. De todas formas, ¡¡¡¡¡No hagáis NUNCA pruebas con la corriente!!!! No
hay segundas oportunidades!!!!
Hola. ¡¡Artículo interesantísimo!!
ResponderEliminarHay algo que quiero preguntarte. En la parte final del artículo dices: "La masa de un secundario en las fuentes conmutadas es “flotante”, no tiene ningún punto de referencia con los 220 voltios del primario, por lo cual HAY que conectarlo a tierra para evitar sacudidas". ¿Que es exactamente lo que hay que colocar a tierra? Me refiero a que componente/s. Lo digo porque si tenemos fuera del aparato la fuente, digamos de un VCR por ejemplo, no hay una masa metálica como una carcasa.
Gracias de antemano.
Saludos.
Alberto J
soy tecnico y estoy aprendiendo sobre fuentes conmutadas la verdad opino igual, interesante articulo bastante bien explicado para novatos como nosotros, la masa flotante supongo que se refiere a la masa que todos conocemos al chasis o carcasa metálica de cualquier aparato electrónico, si estando descalzo tocas la chapa de la pc da una pequeña corriente la cual no pasaría si nuestra instalación eléctrica domiciliaria tuviera una descarga a tierra, creo que a eso se refiere.
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