º Por Osvaldo LW1DSEº

En este caso, vamos a analizar un poco a una de las topolog¡as mas antiguas de fuentes conmutadas, que con algunas mejoras aun se la sigue utilizando. A decir verdad, dado el escaso costo que tiene hoy por hoy un control por PWM integrado de la serie UC384X (42, 43, 44 y 45) lo hace injustificado tanto desde el punto de vista de la cantidad de materiales utilizados como por la confiabilidad que poseen estos ultimos.

Se trata del oscilador de bloqueo utilizado como fuente conmutada.
Basicamente opera como un convertidor Fly Back, pero en el que las funciones de oscilador, PWM y etapa de potencia se hallan integradas en una etapa £nica compuesta por dos BJT's, o mas modernamente, un BJT de pequeña señal, y un MOSFET de potencia.

La figura 1 muestra un circuito elemental de un oscilador de bloqueo destinado a su uso como fuente de alimentacion conmutada. Funciona de la siguiente manera: al aplicarle tension al circuito, la resistencia Rg (de valor ohmico normalmente muy elevado, de cientos de KOhms a un par de MOhms) torna conductor al MOSFET MF1. Se establece de esta manera, una rampa de corriente que crece linealmente con el tiempo, llenando el GAP del nucleo de los inductores acoplados L1, L2 y L3. Esta variacion en sentido positivo del flujo magnetico aparece como una DDP en los bornes de L3 que se acopla capacitivamente (por Ca) hacia la compuerta de MOSFET, el cual se hace cada vez mas conductor por efecto de la realimentacion positiva proporcionada por el devanado L3. Esa rampa aparece como una caida de tension diente de sierra en el resistor de source de MF1, (Rs), y cuando alcanza el valor de .6 a .8V, hace que el BJT Q1 conduzca, rapidamente llevando al gate del MOSFET a masa y haciendo que termine la conduccion del mismo. El colapso del campo magnetico induce en todos los bobinados una tension de polaridad opuesta, provocando la conduccion del diodo D1 (y de otros que pudieran existir) y entregando tension a la(s) carga(s). Ese mismo efecto se repite en L3, el cual acopla la variacion en sentido negativo a la compuerta del MOSFET, haciendo que por efecto de la misma conduccion de Q1 el capacitor se cargue con la polaridad indicada y manteniendo al MOSFET bloqueado. A medida que el inductor se va
descargando, va cediendo y perdiendo energia de campo magnetico. Cuando esta es lo suficientemente baja, el diodo deja de conducir. Entonces, se establece una condicion oscilatoria amortiguada con la energia remanente, en sentido negativo en el Drain del MOSFET, que a su vez es positiva por el lado de compuerta. Para este momento, Ca tambien ha perdido gran parte de su carga porque ha ingresado corriente por Rg desde la entrada. Estas dos situaciones convergen en un punto haciendo que el gate del MOSFET se vea polarizado como para entrar nuevamente en conduccion, repitiendose indefinidamente esta secuencia de hechos. Rb limita la corriente de base de Q1 a un valor seguro para el, y suele ser de entre 100 ohms a 1Kohms. Las lineas de puntos con la letra M denotan acoplamiento magnetico entre los arrollamientos.

As¡ de simple como se lo ve, este sistema carece de importancia, pues no existe manera de gobernar la tension de salida. Existe cierta regulacion desde el momento que si la tension de entrada baja, se va a demorar mas tiempo en alcanzar el punto de conduccion de Q1, de manera que el producto volts por segundo en L1 tiende a mantenerse constante; o si la carga aumenta la corriente drenada, se descarga mas rapidamente el inductor, forzando al comienzo de un nuevo ciclo mas rapidamente. Obviamente, en este tipo de fuente no se puede hablar formalmente de un PWM, pues es la frecuencia de la oscilacion la que se varia, y no el duty cycle de la misma. Son pues, de frecuencia variable. Si, en cambio, se las puede llegar a catalogar como de "On Time constante", pues si la tension de entrada es fija, el tiempo de conduccion es mas o menos constante. Pero no hay forma de ajuste de la tension de salida. Es regulada, pero no regulable. Para ello, es necesario hacerle ligeras modificaciones. Se puede efectuar regulacion sobre el circuito primario directamente, o mediante un optocoupler, desde la salida.

En la figura 2 vemos una mejora substancial en la prestacion de un oscilador de bloqueo, con s¢lo 4 componentes adicionados. D2 carga a C1 negativo por el lado inferior durante la descarga del inductor, obteniendose asi una tension negativa de unos -7 o -10 volts de corriente continua sobre C1. Si la tensi¢n de ruptura del zener Z1 se escoje dentro de esos valores, tan pronto como la fuente quiera pasarse de tension, tambien lo hara  la acumulada en C1. Entonces, el zener conducira  y adicionara  una parte de la tension negativa desarrollada sobre C1 al gate del MOSFET, disminuyendo el tiempo de encendido, la energia acumulada en L1, y con ella, la tension de salida. Es decir, se mejoro la regulacion. El resistor R1 limita los picos de carga de C1 a valores adecuados para el diodo D2.

Tuve oportunidad de reparar numerosas fuentes ATX en las cuales el capacitor C1, de un valor de 1æF 50V, se secaba por el exceso de temperatura al que era sometido (montado muy cerca del discipador o de algun resistor de potencia), o por una falla del ventilador. En tal caso, la tension en sus bornes cae drasticamente y al cabo de pocas horas, la fuente colapsa por perder regulacion. La tension de stand by (cable violeta) pasa de los 5V nominales a 9 o 10 Volts destruyendose toda la logica de arranque del motherboard. Es decir, la falla de un componente de menos de 1 centavo de dolar, acarreaba el reemplazo de mother, micro y memoria por unos nuevos. Un verdadero desastre en cuanto a un mal diseño y eleccion de la calidad y valores de los materiales.

En esta figura vemos como se implementa una regulacion de la tension de salida. VR1 es un regulador lineal del tipo del TL431. Su referencia se ajusta mediante el preset P1 de manera que siempre tenga 2.5V entre ese terminal y su  nodo, conectado a masa. Multiplicando la tension de referencia por por el valor de desmultiplicacion del divisor resistivo R2, R3 y P1 se ajusta la tension de salida de nuestra fuente. Como P1 forma parte de ese divisor, permite ajustar dicha salida. VR1 demandar  una corriente mayor o menor por su catodo, con lo cual variar  la corriente circulando por el LED PCD a el conectado, variando su brillo. Como este se encuentra acoplado opticamente a PCT, el transistor de salida del optoaislador, si la tension de salida tendiera a aumentar, con ella lo hara  la corriente que circula por el LED y tambien por el fototransistor, inyectando tension negativa al gate del MOSFET, disminuyendo el tiempo de encendido, y por consiguiente, la tension de salida. Es asi como se mantiene fielmente ajustada contra variaciones de linea y por carga.

Normalmente, a este tipo de fuentes se las utiliza en potencias de hasta unos 80 Watt, principalmente en monitores de PC algo antiguos (decada del 90) y televisores, y en las fuentes ATX como alimentador de Stand By (unos 10 Watts). Dado que las transiciones parten de cargar y descargar la compuerta a partir de elementos pasivos (resistencias y capacitores), son relativamente lentas y dificiles de controlar, a pesar de lo cual es notoriamente ayudado por el efecto de realimantacion positiva. Esto hace que el rendimiento de la conversion sea relativamente bajo (60-70%). Aplicando un
pulso de reducida amplitud a la compuerta en el momento en que esta  proximo a empezar a conducir, obligar  a comenzar el ciclo antes de lo previsto, con lo cual es posible sincronizarla facilmente con, por ejemplo, la etapa de salida
horizontal de un TV o monitor. Tomando el pulso de salida del transformador de linea, diferenci ndolo y aplicandolo a la compuerta del MOSFET via un pequeño transformador de pulsos, se puede hacer que la entrada en conduccion del diodo de salida coincida con el inicio del ciclo activo del barrido horizontal, con lo cual el ripple a la salida se puede disminuir de manera notable. En otras palabras, la fuente entrega potencia de salida justo cuando la carga la necesita. Por lo tanto, es posible reducir el valor del capacitor utilizado como filtro a la salida del conversor conmutado. Esto ademas, facilita el ocultamiento de algunas posibles interferencias generadas por la fuente sobre la etapa de video, en el momento en que los catodos del TRC son llevados al corte durante el borrado horizontal.

Por Osvaldo LW1DSE

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