º Por Osvaldo LW1DSE º

Todas las fuentes de alimentacion conmutadas, a diferencia de las lineales, trabajan como lo que se denomina "servomecanismo". Algunas lineales, tambien, como los integrados del tipo del LM317, LM431, LM723, o LM78XX, pero el simple zener con resistencia en serie y/o un transistor de amplificacion de la corriente no lo son.

Pero, ¨que es un servomecanismo?. Para describirlo vamos a citar un ejemplo de la vida diaria. Los seres humanos, en muchos aspectos, somos servomecanismos, y por lo tanto un circuito o sistema realimentado negativamente.

Una persona normalmente cuando est  parada sobre sus piernas, lo hace en forma vertical. Para eso se vale de las "referencias" que tiene a su al- rededor, y en su interior. Si la referencia falla, la persona se cae. Pero supongamos que la referencia est  en orden. La persona, busca permanente e inconscientemente su verticalidad. Si por alguna razon momentaneamente pierde su vericalidad, se ponen en marcha mecanismos para recuperar el equilibrio.
A veces, eso se puede lograr, realizando una `sobrecompensacion', es decir intentando voltear su cuerpo en el sentido contrario al que se estaba cayendo, con lo cual, puede terminar volcando, pero en direccion opuesta a la direccion original de la caida. Otras veces, la mayor¡a, compensa correctamente, relizando las pequeñas correcciones necesarias para reestablecer su posicion original. Esto se denomina compensaci¢n `critica'. Y otras veces, la persona puede no recuperar nunca su equilibrio original, lo que se denomina `subcompensacion'. Si la persona est  parada y en equilibrio, y un pulso `transitorio' o un `ruido', por ejemplo, otra persona que le pega una palmada fuerte en la espalda sin que lo advierta con anterioridad, al ver que se puede perder el equilibrio, se ponen en funcionamiento los mismos mecanismo arriba explicados. Si a la persona, se le taparan los ojos, y se repite la experiencia de la palmada fuerte, puede ocurrir que al no tener su referencia correcta, los mecanismos de recuperaci¢n fallen y entonces la persona se cae irremediablemente. En todos los casos, se habla de realimentaci¢n negativa, pues la persona tiende siempre a oponerse a la perdida del equilibrio. Si en cambio, se hablara de realimentacion positiva, un muy peque¤o transitorio o ruido causaria un pulso aun mas grande, no intentando compensar, sino mas bien acelerar la velocidad de la caida.

Otro ejemplo, aunque mas tecnico, es la forma en que un instrumento analogico (un voltimetro, amperimetro, etc; del tipo de aguja) llega al valor correcto de la medida, en qu‚ manera lo hace y en que tiempo. Se dice que un instrumento de este tipo es subcompensado, si ante una variacion brusca en la señal aplicada llega realizando una serie de oscilaciones alrededor de un valor correcto, para al tiempo (teoricamente infinito) detenerse en el valor correcto. Por otra parte, es sobrecompensado si llega muy lentamente, con lo cual se aproxima asintoticamente al valor que deberia indicar y nunca llegar.
La compensacion ideal, la correcta no existe, y es un compromiso muy delicado entre los dos anteriores. El sobreamortiguado llega muy rapido pero se pasa, vuelve para atras, pasandose nuevamente y asi sucesivamente debiendo hacer una serie interminable de correcciones hasta llegar a su estado final. El sub- amortiguado no se pasa, pero nunca llega.

VIENE PAGINA ANTERIOR

En el caso de los conectores que suministran energía a los discos y demás unidades, siempre se utilizaron las pequeñas fichas para disquetera y los Molex (nombre que reciben por el fabricante) que se enchufan a los discos, unidades ópticas, etc. Incluso en las fuentes ATX aún se siguen usando estos Molex, pero han cambiado los conectores que alimentan el motherboard, y ya lo han hecho en varias oportunidades. Entre los viejos conectores P8 y P9 de la norma AT y la actual ATX (conector P1) han surgido algunas diferencias, como una mayor cantidad de cables, conector más grande y unificado, y líneas de 3,3 voltios además de las ya clásicas de 5 y 12 v, más una línea dedicada al ahorro de energía (stand-by}.
A su vez, el formato de fuentes ATX fue sufriendo cambios. Por ejemplo, con la llegada de los Pentium 4 (ATX 2.03) se agregó un nuevo conector llamado ATX12V, para proveer de energía extra a esos procesadores de mayor consumo. Luego se agregó otro, muy similar a un conector P8 o P9 de las fuentes AT.

En los ejemplos arriba citados, nos permite describir de que se trata un circuito realimentado negativamente.

En la figura 1 vemos los elementos necesarios para formar un servo- mecanismo. Cada bloque cumple una sola funcion, pero puede estar compuesto por muchos elementos. El bloque definido con la letra griega Sigma (ä) significa que es un sumador de se¤ales. En este caso como una de las señales esta  invertida en fase (indicado con el signo "-") se trata entonces de un restador.

El sector identificado con la letra "A" indica que se trata de un amplificador o un actuador. Colocamos alli dentro todos los elementos necesarios (no necesariamente electronicos: pueden ser brazos de palanca, motores, sistemas hidraulicos o neumaticos) necesarios para obtener la salida buscada. Normalmente ahi se consume potencia de corriente continua para alimentar a una posible carga, con corriente continua (por ejemplo un solenoide o electroiman, una valvula proporcional, un motor, etc.) o con corriente alterna (Un parlante, un motor de AC, etc.)

El bloque nombrado á (Beta) es tal vez, el mas delicado. Esta compuesto generalmente por elementos pasivos, es decir no existe ahi ninguna amplificacion de la señal, solo se encarga de muestrear lo que pasa a la salida, y reinyectar esa muestra a la entrada. Puede, en ciertas ocaciones, ser un simple pedazo de cable, con lo cual se realimenta toda la salida, y todo nuestro sistema se transforma en un simple seguidor de ¢rdenes, pues la salida es igual en magnitud a la referencia. Cabe citar como ejemplo de esto ultimo, lo que se llama un "cathode follower valvular", o un operacional con
la salida conectada a su entrada inversora. El valor de á es un numero adimensional (sin unidades) que puede ir entre 0 y 1. Es un porcetntaje (si se quiere) que expresa cu nta parte de la salida va a ser realimentada a la entrada. En t‚rminos de audio, se suele hablar de dB (decibeles) de realimantacion.

Analicemos un poco este sistema, pero permitaseme -un poquito nomas-, recurrir al auxilio de las matematicas.

Si, Si', So y Sf, representan a magnitudes (sin importar de que tipo son, pueden ser temperaturas, voltages, corrientes, presiones, intensidad luminosa, no importa) de entrada sin realimentar, realimentadas, de salida, y de realimentacion respectivamente.

Este resultado es fundamental para nuestra fuente switching. Si nuestra señal de entrada es una fraccion de la tension de la referencia provista por el circuito integrado generador de PWM, la ganacia del sistema es grande, la salida de la fuente va a ser 1/Beta veces mas grande, independientemente del tipo de topologia, de los semiconductores utilizados, y lo que es mas que importante, independiente de cualquier perturbacion que tenga la entrada de la fuente.

Aca  se justifica lo dicho mas arriba en lo que respecta a que la calidad de la fuente terminada depende de la referencia de tension (expresado en el cap. #6) y de la calidad de los componentes elegidos para implementar la red de realimentacion (á).

Hasta llegar a la actualidad, cuando las fuentes modernas poseen fichas para alimentar los discos Serial-ATA e, incluso, conectores para ciertas aceleradoras 3D en formato PCI-Express.
FUENTES DE ALTA CALIDAD
Los gabinetes genéricos vienen de fábrica con una fuente muy básica, no respetan los valores nominales y prácticamente no cumplen con las certificaciones internacionales. Nunca confíen en una fuente genérica que dice tener 400 W, ese valor es ficticio.
Es aquí donde surgen empresas como Antee, Zalman, Topower y decenas más, dedicadas a la fabricación de fuentes robustas, seguras y efectivas. Con la potencia de salida real indicada en su parte superior, estos dispositivos ganaron muchísimos adeptos, sobre todo en el ámbito del overclocking, de los servidores, los gamers y los usuarios avanzados.
La diferencia más notoria entre una fuente genérica y una "de las buenas" es el peso.
¿Y por qué el peso importa? Por la cantidad y la calidad (y costos) de los componentes internos: capacitores y disipadores más grandes, cables más gruesos y mayor cantidad de conectores en la salida.
Una fuente genérica de 400 watts suele pesar alrededor de 800 gramos, mientras que una fuente de 400 watts reales pesa casi dos kilos.
Las diferencias en costos también se notan: las genéricas de 400 W rondan los 30 dólares, y las de marca, de 100 a 200 dólares. Hoy en día se pueden conseguir en el mercado fuentes de buena calidad que van desde 400 hasta 1000 watts (ver la tabla "Consumo de los dispositivos"
para averiguar qué potencia debería tener la fuente de alimentación de una PC para que no trabaje exigida).

Además de cumplir con todas las certificaciones internacionales en materia de seguridad y estabilidad, éstas poseen características muy tentadoras como, por ejemplo, protección de sobretensión, reducción de ruido, protección de cortocircuito y de descarga electroestática, bornes bañados en bronce, mallas protectoras en los cables y doble cooler.
PROTECCIÓN
En el caso de que nuestra fuente sea de marca reconocida y buena calidad, por más que posea protección contra sobretensión y descargas, igualmente es necesario proteger la PC con un estabilizador de tensión o UPS (conocido también como SAI: Sistema de Alimentación Ininterrumpida), y la cosa no termina aquí. Además, es importantísimo tener una instalación eléctrica (ya sea en casa o en la oficina) que tenga descarga a tierra real. La mayoría de los tomacorrientes tienen la famosa "tercera patita", pero en la mayoría de los casos está de "adorno", ya que no hay ningún cable que lleve ese borne hacia una descarga real. Una descarga eléctrica importante, como un rayo de tormenta que se origine cerca de nuestra ubicación, puede provocar (por inducción del campo electromagnético o por descarga indirecta en las líneas de baja tensión del tendido urbano) que nuestra fuente quede fuera de servicio al recibir una gran cantidad de voltaje adicional.
Teniendo la previsión de contar con una real descarga a tierra y un estabilizador de tensión, estos problemas no se presentan. Siempre es negocio tener un estabilizador y una descarga a tierra, son inversiones mínimas que protegen algo costoso como nuestra computadora.

SIGUE PAGINA SIGUIENTE

Por Osvaldo LW1DSE

Hemos llegado a un punto, en donde tenemos un montoncito de cosas sueltas: la etapa de potencia, el integrado que hace el PWM, y un peque¤o resumen de como funciona un circuito realimentado negativamente.

Vamos ahora a ver como se junta todo esto en una sola cosa que va a pasar a ser nuestra fuente switching regulada. Para ello vamos a escoger alguna de las topologIas de la etapa de potencia, nuestro integrado generico generador de PWM y vamos a cerrar un lazo de realimentacion negativa a todo el conjunto, dejando fuera de el lo que no nos interesa regular, o que incluso puede perjudicarnos a nuestra fuente. Por simplicidad, les mostrar‚ a grandes razgos una fuente que funciona en "voltage mode"

En la figura 1 vemos un esquema de una fuente conmutada con todos los elementos que la componen. Describamos que funciones cumple cada uno, asi se puede entender como funciona. Ignoremos de momento a: II, Rct y IT.

Los capacitores CB1 y CB2, cumplen la importante tarea de desacoplar las patas de alimentacion del integrado, contra el ingreso de ruidos inducidos desde otras etapas. Generalmente son electroliticos en paralelo con ceramicos, el electrolitico. se encarga de las bajas frecuencias y el ceramico de las altas. Rt y Ct son los elementos del oscilador que fijan la frecuencia de trabajo de nuestro equipo. R5 y R6 atenuan la tension de referencia generada dentro del IC y pasa entonces nuestra referencia a ser ahora Vref'. R3 y R4 son las resistencias de muestreo de la salida. Juntas componen la red á que vimos anteriormente. En caso de ser necesario, RVcc reduce la tension de alimentacion del integrado a valores adecuados para su normal funcionamiento.
El MOSFET, el diodo, el inductor y los capacitores de entrada y salida, ya sabemos porque estan alli. Nos falta a Cf1, Cf2 y Rf, ellos fijan las caracteristicas de respuesta en frecuencia de la fuente. Por lo general CF1 limita la respuesta en alta frecuencia a 1/5 de la frecuencia de conmutacion, pues puede suceder que de no ser asi, la fuente entre a autooscilar. Rf fija la ganacia de lazo cerrado de la fuente. Una ganancia demasiado alta puede provocar autooscilaciones, y una ganacia demasiado baja hace que la fuente se caiga a valores elevados de corriente de carga. Cf2 fija el corte de baja frecuencia; permite tener una ganacia muy alta a frecuencias bajas para obtener asi un alto rechazo al ripple de 50 (60) o 100 (120)Hz. Rs provee realimentacion de corriente; si la fuente empieza a ser sobrecargada, digamos a un 120 % de la salida nominal, la tension desarrollada sobre Rs activa la proteccion de sobrecorriente y la fuente se apaga; lo mismo que por una entrada de tension a la fuente demasiado alta o demasiado baja, lo cual se le informa al integrado via el divisor formado por R1 y R2. Por ultimo, Css se carga lentamente a traves de la corriente generada dentro del IC por la pata de soft start (arranque suave) para impedir el arranque brusco de la fuente que puede provocar daños a la fuente misma y a la carga.

Todo el ciclo empieza en el momento que se le aplica alimentacion al IC v¡a RVcc. Junto a CB1 se genera una pequeña demora de tiempo con el objeto de retardar el arranque de la fuente hasta que las tensiones de entrada esten en sus valores adecuados, como asi tambien reducir el transitorio de corriente en la entrada de la fuente; pues al encender algun interruptor que puede estar antes del puente rectificador, se tiene que cargar Ci y si encima se le da arranque inmediato a todo el circuito de salida, el chispazo generado destruye los contactos del interruptor. De todas formas, esa demora rara vez es de mas de 1 segundo. Una vez que el integrado alcanza la tension de arranque, se empieza a cargar el capacitor Css permitiendo un arranque lento del circuito. Mientras dura este intervalo de tiempo, el IC supervisa que la tension de entrada este dentro de los valores adecuados mediante el OVP/UVP. Si la señal del OVP/UVP est  OK, entonces el oscilador empieza a trabajar, generando la señal diente de sierra necesaria para el PWM. Si el OVP/UVP no da el OK, entonces el IC descarga el Css, reiniciando un ciclo de arranque. Si despues de algunos intentos, la alarma no desaparece, el IC entra en modo de emergencia y se apaga definitivamente; queda cancelada toda operacion del mismo y es necesario apagar el interruptor principal y esperar a que todos los capacitores se descarguen para proceder a reactivar el circuito.

La rampa de carga de Css es agregada como una señal al PWM. En realidad es "and"eada contra la muestra de la tension de salida de la fuente; es decir, la de las dos que demande el menor ancho de pulso, gobierna al sistema de PWM. Entonces, con el primer ciclo de reloj generado por el oscilador y si no hay alarmas activadas, el circuito de salida del IC se pone en alto, y el MOSFET es llevado rapidamente a la plena conduccion. Cuando la tension de la rampa del diente de sierra generado por el oscilador, e inyectada al comparador es mayor que la provista por la resultante del "and"eo, el comparador cambia de estado, la salida del IC se reduce a cero, con lo cual el MOSFET sale de la conduccion, y pasa al bloqueo; momento en el cual el inductor cargado comienza a descargarse a traves del diodo, alimentando la salida de la fuente. Si la corriente demandada por la carga excede un valor prefijado (que multiplicado por el valor de Rs) supere el umbral de activacion de la alarma de sobre consumo, el IC actuara  de manera similar al UVP. Nuevamente, de no haber alarmas, el ciclo comienza con un nuevo periodo de diente de sierra generado por el oscilador. Una vez que se realizaron una serie de ciclos exitosos, la tension de salida alcanza el valor nominal, momento en el cual el circuito de soft start queda fuera de servicio al ser mayor su tension que la del divisor á.

Los valores de las resistencias R3, R4, R5, R6, se escogen en la etapa de diseño de la fuente, de manera que el valor de R3 en paralelo con R4 y el de R5 con R6 sean iguales. De esta forma se cancela el efecto de las corrientes de entrada del amplificador operacional a que se hallan conectadas, y con ello la regulacion por temperatura de la fuente es la mejor. Estando la fuente en regimen normal, se cumple que:

donde puede verse que si todo el sistema esta  dentro de sus limites lineales, es decir, las tensiones de entrada, y las corrientes no superan los umbrales de las alarmas correspondientes, y no se lleva a las entradas del operacional fuera de sus ma rgenes normales de trabajo; la salida de la fuente se mantiene en un valor fijado por las resitencias del circuito y el voltage de referencia provisto por el IC. De ahi que es extremadamente importante que tanto los resistores de los divisores involucrados (R3 a R6) y la referencia sean de la mejor calidad posible. Una alteracion temporal o por temperatura de alguno de esos valores, es causal de perdida de regulacion de la fuente. Por otro lado, el reemplazo de alguno de ellos por un potenciometro permite obtener una fuente regulada y regulable, lo cual no es del todo aconsejable, pues un error en el manejo de ese elemento puede acarrear severo riesgo de destruccion de la carga, en este caso por impericia del operador, que es algo que los integrados de hoy en dia todavia no son capaces de supervisar.

El valor de Cf2 normalmente es bastante mas grande que el de Cf1. De manera que si a la salida de la fuente se le impone un transitorio notable de consumo (por agregado o por remocion), a traves de las inevitables resistencias dispersas que hay dentro de la etapa de potencia se produce una variacion en las tensiones que en ellas se tienen, lo cual establece un desbalance instantaneo en las corrientes que fluyen por los resistores R3 y R4, desbalance que viene a cubrir la carga almacenada en Cf1 y Cf2 (principalmente en este ultimo por su valor), obligando al operacional (OA) a ‚l conectado a modificar su salida y compensar la alteracion en el valor de la tension de salida de la fuente. Recuerde el lector, que el OA que viene dentro del IC del PWM tiene sus entradas conectadas a la patas inversora y no inversora del IC y su salida a la pata de compensacion, y en esta forma Cf1 y Cf2 se hallan entre la entrada inversora y la salida del OA. Pero esta alteracion en la salida del OA no se traduce instantaneamente en una compensacion de la alteracion que le dio origen, sino hasta el proximo ciclo del reloj del oscilador. De manera, que toda fuente conmutada tiene siempre una peor respuesta a transitorios que una lineal, mejor cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo, pero siempre peor que la lineal. Ademas, Rf conectada en serie con Cf2, regula la velocidad con que se carga/descarga este. Un valor chico mejora la respuesta en frecuencia, pero deja sin margen a la fuente cuando se la exige cerca del limite de sus capacidades. Por otro lado un valor demasiado grande reproduce el efecto del voltimetro aludido en el cap. #7, haciendo el circuito lento en respuesta, y obligando a una serie de compensaciones y contra-compensaciones, similar a la aguja que tarda en llegar a su indicacion final. Si estas oscilaciones perduran en el tiempo, la fuente puede perder el lazo de control, y embalarse con consecuencias catastroficas. Un capacitor de salida "grande" puede paliar el inconveniente suministrando corriente a la carga en caso de aumento en la demanda de energia, pero poco puede hacer con un relajamiento de esa demanda.

Un detalle a tener en cuenta, es que toda fuente conmutada requiere un valor minimo de corriente para garantizar la tension de salida. Algunas veces, esa corriente se establece dentro de la fuente mediante resistores de sangrado, o aprovechar esta corriente para energizar un ventilador, pero otras veces debe ser externa. De modo que es necesario estar seguro de este punto al momento de reparar un equipo de este tipo.

Algunos tipos de fuentes mas modernas incorporan en el IC del PWM, un modo de deteccion de baja carga, haciendo operar a la fuente en modo "burst" o "hic-cup" (por la onomatopeya del sonido que hacen este tipo de fuentes) donde la fuente arranca durante algunos ciclos, y se apaga durante otra cantidad de ciclos de reloj completos de manera de asi hacer un segundo PWM de baja frecuencia para mantener la tension de salida con menos carga minima que las normales. Esto es normal en los televisores, donde el consumo es muy reducido cuando esta  apagado via control remoto. De no tener este modo de operacion obligaria a dejar parte del equipo encendido innecesariamente.

Cuando el MOSFET se halla encendido, ya comentamos que se establece en el inductor, una rampa ascendente de corriente, que si esta  lo suficientemente bien lejos dela saturacion del nucleo, es la rampa de un diente de sierra. Por otro lado, cuando el diodo descargue al inductor via la carga, se establece otra rampa, ahora descendente hasta llegar a cero si el inductor esta  diseñado para operar em modo discontinuo, o a un minimo distinto de cero
si esta  en modo continuo. La pendiente de esa diente de sierra ascendente depende escencialmente de la tension de entrada de la fuente, de la frecuencia de trabajo y de la autoinduccion conectada. En efecto, como ya vimos:

O sea que la altura final del diente de sierra va a estar estrechamente relacionado con la tension de entrada de la fuente. Entoneces, si se hiciera un mustreo de esa corriente (por ejemplo mediante un resistor conectado en el source del MOSFET o un transformador de corriente) y se inyectara ese diente de sierra de tension al integrado, y se conecta en lugar de la diente de sierra provisto por el oscilador, la fuente muta hacia un modo totalmente nuevo de funcionamiento llamado "current mode" o modo de corriente.
Hemos armado asi otro lazo de realimentacion interno al de tension de salida, que nos permite monitorear ciclo a ciclo el estado de la corriente en el inductor. Significa todo esto que la fuente en este caso podra  responder muy rapidamente a variaciones de la tension de entrada, y de cuan rapidamente se descarga el inductor, es decir, tambien se monitorea la corriente de salida.
Entonces, ahora el oscilador no provee el diente de sierra para el PWM, sino que es una muestra de la corriente del inductor; y el oscilador ahora solo sirve a modo de generador del reloj necesario para arrancar cada ciclo. El ciclo de PWM termina cuando la muestra de la corriente iguala a la tension de error a la entrada del comparador de PWM.

Esto es lo que hacen en la figura 1 los componentes II, Rct y IT. IT es un transforamdor de corriente donde uno de los terminales del inductor pasa simplemente por el orificio de un nucleo toroidal, donde se halla bobinado el secundario con una cantidad de vueltas grande en comparacion con la sola espira que asi forma el primario. Entonces, este transformador de corriente tiene relacion de vueltas elevadora de tension o reductora de corriente. Esa corriente secundaria al circular por la resistencia de carga del secundario, Rct, forma una diente de sierra de tension que es ingresada al IC current mode para su comparaci¢n con la muestra de la tension de salida.

La forma de trabajo de la current mode, tiene a su vez, otras ventajas un tanto dificiles de explicar. Es salvo pocas excepciones, que es casi universalmente utilizada en fuentes para televisores, monitores de PC, cargadores de baterias y de celulares, fuentes para lap-top, y todo aparato electronico que demande de su fuente, una muy buena performance.

Fin capitulo #8

Por Osvaldo LW1DSE

-================>>>>