fuentes conmutadas III - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell
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fuentes conmutadas III
Electronica
Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada III. Rectificador y condensador
En este artículo se explicará la etapa de rectificación y el condensador, donde la corriente alterna se convierte en continua.
El diodo
Para convertir la corriente alterna en continua, necesitamos de un componente semiconductor, es decir que deja pasar la corriente solo bajo unas determinadas condiciones.
Distintos tipos de diodos rectificadores
Un diodo se compone, básicamente, de dos cristales de silicio conectados entre sí. Estos cristales tienen características especiales (que de momento no explicaré para no extenderme demasiado) que únicamente permiten el paso de electrones en un sentido.
Gracias a esta característica, podemos eliminar todos los semiciclos negativos o positivos de una corriente alterna.
El puente rectificador
Los diodos pueden conectarse de forma que inviertan el signo de uno de los semiciclos. De esta forma, en vez de eliminar un semiciclo, se consigue aprovechar, para sacar el máximo rendimiento de la corriente de entrada.
Puentes rectificadores integrados en un solo encapsulado
Este tipo de puentes no son más que conjuntos de cuatro diodos encapsulados en un mismo componente, lo que facilita la fabricación, y la disipación de la temperatura.
Es fácil encontrar circuitos donde el puente rectificador está formado por diodos individuales. El funcionamiento eléctrico es idéntico.
Puente rectificador formado por diodos individuales
El condensador electrolítico
Un condensador es, básicamente, un componente fabricado a base de capas conductoras separadas por un elemento aislante. Las capas están muy cerca unas de otras, lo que permite que los electrones, al tener carga negativa, se vean atraídos por la capa con carga positiva.
Condensadores electrolíticos de aluminio
Este comportamiento hace que el condensador se convierta en una especie de batería con muy poca carga. Al aplicar corriente, el condensador se carga, y al desconectarlo, se descarga a través de los componentes conectados.
La etapa rectificador-condensador
Para entender mejor el comportamiento de la corriente, lo ilustraremos con las siguientes formas de onda:
Fig. 1 – Formas de onda
En la figura 1A puedes ver la forma de onda sinusoidal típica de la corriente alterna (debo matizar que los dibujos no tienen la forma exacta de una onda senoidal perfecta). Durante la mitad del tiempo la corriente se desplaza en un sentido, y en la otra mitad lo hace en el sentido contrario.
Cuando conectamos un diodo en serie con la corriente, en su salida encontraremos la onda que aparece en la figura 1B. Hemos eliminado el semiciclo negativo de la onda anterior.
Utilizando un puente rectificador conseguimos aprovechar la corriente de los dos semiciclos. La onda de salida será parecida a la de la figura 1C.
En el primer caso (1B) hablamos de un rectificador de media onda, porque perdemos la mitad de la onda. En el segundo (1C) decimos que es un rectificador de onda completa.
Al añadir un condensador a la salida del diodo, amortiguamos la onda, debido a que el condensador se carga mientras la onda asciende, y se descarga lentamente cuando desciende.
Fig. 2 – Rectificador de media onda, formado por un diodo y un condensador
figura 2, en el semiciclo positivo el diodo deja pasar corriente y el condensador se carga, mientras que durante el semiciclo negativo el diodo no conduce, y el condensador deja salir su carga. Como habrás deducido, se trata de un rectificador de media onda.
La onda de salida corresponde a la figura 1D, donde se aprecia cómo se suaviza la caída de la onda gracias a la descarga del condensador.
Fig. 3 – Puente rectificador de onda completa, con condensador electrolítico
En la figura 3, hay cuatro diodos, que permiten que durante un semiciclo la corriente pase por dos de ellos, y en el semiciclo contrario pase por los otros dos. Así es como se aprovecha toda la corriente en un rectificador de onda completa. El esquema es idéntico si se utiliza un puente rectificador o cuatro diodos individuales.
El rectificador de media onda se utiliza en algunas fuentes de alimentación de muy poca intensidad donde la calidad no es muy importante, o donde se requiere utilizar muy pocos componentes, ya sea por motivos económicos o de espacio.
El condensador a la salida de un rectificador de onda completa transforma la señal, que es similar a la figura 1E. Como ves, se parece más a una corriente continua que usando un rectificador de media onda. Como la caída es más corta, se puede utilizar un condensador de menor capacidad, haciendo el circuito más barato y compacto.
El rizado
Como habrás adivinado, realmente no hemos convertido la corriente alterna en una verdadera corriente continua. En una gráfica, la corriente continua es una señal totalmente horizontal, sin altibajos.
A estos altibajos le llamamos rizado. Cuanto menor sea este rizado, más se parecerá la señal a una corriente continua, y por tanto será de mejor calidad.
Fig. 4 – Forma de una corriente continua con rizado
Hay varias formas de reducir o eliminar el rizado:
Aumentando la capacidad del condensador, la caída de la corriente es más lenta, por lo que la curva se suaviza.
Añadiendo una bobina en serie. La bobina en serie se comporta igual que un condensador en paralelo, de modo que se refuerza este efecto.
Utilizando un estabilizador a una tensión menor. Si añadimos un elemento semiconductor que elimine la parte alta de la onda conseguimos una corriente continua perfecta, aunque tendrá una tensión menor. En esta etapa de las fuentes conmutadas no se suelen utilizar estabilizadores.
Riesgos al manipular una fuente conmutada
En una fuente de alimentación conmutada, la tensión en el condensador supera los 300Vdc.
Una vez desconectada la fuente, el condensador mantiene su carga durante un tiempo que puede ser bastante largo. Esto quiere decir que si tocas accidentalmente sus contactos, puedes recibir una fuerte descarga.
Fig. 5 – Rizado elevado, debido al desgaste del condensador
La corriente continua tiene algunos riesgos distintos a la corriente alterna. Básicamente, piensa en que el condensador puede convertirse en un desfibrilador, y una descarga podría pararte el corazón.
Es mejor prevenir, así que antes de tocar el circuito, debes descargar el condensador. Yo utilizo una lámpara incandescente de 230V/100W. También puedes usar una resistencia de cerámica del valor adecuado.
Evita puentear los contactos del condensador con elementos metálicos, porque una descarga tan brusca puede dañar el propio condensador. Sobre todo si es un condensador grande, porque se produce un archo (chispazo) que funde los metales en contacto.
Sobre todo, ten cuidado cuando conectes y desconectes la fuente varias veces mientras la reparas, porque debes descargar el condensador cada vez, y es fácil saltarte este paso en un descuido.
Averías típicas en esta etapa
Los condensadores electrolíticos se deterioran con el paso del tiempo, sobre todo si están expuestos a altas temperaturas o a condiciones eléctricas desfavorables. Cuando el condensador se degrada va perdiendo capacidad. Esto supone que el rizado aumenta.
Normalmente, al diseñar una fuente se prevé que el condensador irá perdiendo capacidad, por lo que se sobredimensiona. Sin embargo, llega un punto en el que el rizado es tan alto que afecta al funcionamiento del circuito, provocando fallos.
Fig. 5 – Rizado elevado, debido al desgaste del condensadorPara medir el estado de un condensador, suele ser suficiente con un capacímetro. Muchos multímetros incorporan esta función. El capacímetro indica la capacidad real del condensador, y debe corresponderse con su valor nominal, indicado en su encapsulado. Si la capacidad es inferior a la marcada, hay que sustituirlo.
En circuitos más sensibles es necesario usar otro tipo de equipos, como los medidores de ESR (resistencia serie equivalente). Un condensador deja circular la corriente alterna a través suyo. Inyectando corriente alterna de alta frecuencia y midiendo la resistencia que presenta se puede conocer la calidad del condensador. Si un condensador aparenta tener su capacidad nominal, pero la ESR es mayor de varios ohmios, se recomienda reemplazarlo.
En los casos en que el condensador está muy deteriorado, suele verse la tapa superior abultada o agrietada. Si es así, no hace falta medir el componente. Debe ser sustituido directamente.
Condensadores hinchados
Con un osciloscopio es fácil diagnosticar el estado del condensador. Como puedes ver en las siguientes imágenes, se aprecia perfectamente el cambio en el rizado.
Rizado debido a un condensador averiado señal después de cambiar el condensador
Hay dos posibles causas de averías provocadas por los diodos:
Uno o varios diodos cortados. No hay tensión a la salida de los diodos. Se puede comprobar fácilmente cada diodo con un multímetro.
Uno o varios diodos cruzados. A la salida de los diodos habrá corriente alterna. Este caso es más raro, y si sucede habrá que sustituir los diodos, y también los componentes que funcionan en corriente continua, como el condensador, el circuito integrado de control, etc.
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