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domingo, 5 de marzo de 2017

TutoBreve. Los TRANSITORIOS de las bobinas y como romper una fuente















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ÍNDICE

1. El doble motivo de este post 
2. Transitorios en una bobina
      2.1. Que son los transitorios en una bobina
      2.2. En qué tipo de circuitos ocurren los transitorios
      2.3. Consecuencias nefastas de un transitorio
      2.4. Forma de evitarlo. El diodo volante
3. Mi fuente de laboratorio, convertida en un ladrillo, por un transitorio
      3.1. Búsqueda de la avería en la fuente
      3.2. Un transistor que está en buen estado... y que está en mal estado
      3.3. Solución de la avería en la fuente
4. El vídeo
5. Otros vídeos que pueden interesarte
6. Toda mi colección de vídeos de Youtube



1. El doble motivo de este post 

Intentaré cubrir en los 10 minutos asignados a un vídeo de TutoBreve, dos asuntos de interés para todo electrónico:

- Las sobretensiones transitorias que se crean en una bobina cuando a ésta se le interrumpe la corriente, que pueden destruir componentes electrónicos asociados a esa bobina. En adelante les llamaré "transitorios" para abreviar

- Avería real en mi fuente de laboratorio producida por uno de estos transitorios, así como en qué consistía la avería, y resolución de la misma.



2. Transitorios en una bobina

2.1. Que son los transitorios en una bobina

Una bobina puede ser utilizada como elemento oscilante en un circuito de radiofrecuencia en receptores y transmisores de radio, en osciladores,... circuitos que trabajan con corrientes alternas o pulsantes y con potencias reducidas.

No es éste el ámbito del asunto que nos interesa en esta publicación.

El ámbito que nos interesa es cuando a las bobinas se les hace trabajar con corriente continua y además, a potencias medias y altas para hacerlas trabajar no como elementos oscilantes sino como electroimanes.

Es el caso de los motores DC y los relés.


Fig 1. Motores y relés. Dispositivos que pueden destruir circuitos si no se manejan adecuadamente

Ambos, motores y relés, tienen bobinas que pueden ser de gran tamaño y trabajar con tensiones y/o corrientes significativas.

Cuando a una bobina se le hace pasar una corriente continua para hacerla trabajar como electroimán, ésta genera un campo electromagnético en sus inmediaciones.

¿Y qué pasa cuando a una bobina que está siendo alimentada por una corriente continua se le interrumpe bruscamente esa corriente? Pues que ese campo electromagnético que rodea a la bobina queda sin sustento, y "vuelve" a la bobina, y al hacerlo, en la bobina se crea un pulso de corriente breve, pero intenso, y con un voltaje que puede ser muy superior al de la corriente que lo estaba alimentando. A más voltaje, mayor el pulso, pero sobretodo, es la velocidad de variación de la tensión lo que hace que el pulso sea mayor, y en una desconexión, la velocidad de variación es enorme.

Este fenómeno se busca deliberadamente en algunos circuitos como el oscilador de bloqueo o "ladrón de julios", para elevar la tensión. Pero en otras ocasiones no es deseado, y si no se toman medidas, puede causar estragos.


2.2. En qué tipo de circuitos ocurren los transitorios

Los transitorios ocurren en circuitos con bobinas que están siendo alimentados con corriente continua, tales como motores y relés. Estos transitorios no tienen importancia si las bobinas están siendo alimentadas por baterías. Una batería no se rompe por un pulso de corriente inversa. Pero si la alimentación corre a cargo de un circuito electrónico que realiza el trabajo de conmutación a base de componentes con semiconductores tales como transistores, mosfet, tiristores, etc, los transitorios producidos por la bobina pueden destruir a dichos semiconductores.


2.3. Consecuencias nefastas de un transitorio

En la figura 2 tenemos un motor DC que está siendo gobernado por un circuito electrónico conocido como PWM, un eficiente sistema para regular la potencia enviada a un motor DC, y así poder regular su velocidad. En este esquema el mosfet no está protegido


Fig 2. Mosfet (Q1) gobernando un motor. No hay protección contra transitorios

En este circuito vemos que el mosfet Q1 es el encargado de dosificar la corriente enviada al motor. Si este mosfet está enviando una corriente alta al motor y de pronto se abre el interruptor S1, las bobinas del motor van a generar un pulso de corriente que será aplicado al mosfet, que corre serio peligro de ser destruido.



2.4. Forma de evitarlo. El diodo volante

Para evitar este riesgo, se pone un diodo en paralelo con la bobina (motor) de tal manera que en funcionamiento normal el diodo no conducirá corriente alguna, ya que está polarizado inversamente, así que es como si el diodo no estuviese. Pero cuando la tensión aplicada a la bobina es bruscamente interrumpida, los pulsos de corriente provocados por la bobina los absorberá el diodo, no la fuente. 

En la Fig 3 vemos un diodo volante (D1) protegiendo al mosfet del control PWM

Un diodo "volante" no es un tipo de diodo, sino una función que se puede hacer con un diodo rectificador normal, en este caso, dicha función es absorber ellos mismos los transitorios de las bobinas.


Fig 3. D4 es un diodo rectificador haciendo la función de "diodo volante" para proteger al mosfet Q1

Otro ejemplo típico, esta vez en un relé, lo tenéis en la figura 4.


Fig 4. Diodo volante en relé>>>>>

Estos diodos de protección son del tipo rectificador, es decir, diodos de lo más normal, y deben tener capacidad para absorber los pulsos de corriente sin romperse. También deben ser lo suficientemente rápidos como para entrar en conducción, de lo contrario, no hay protección.

Algunos diodos que pueden usarse para ese fin son:

- 1N4148
- 1N4448
- BY255
- RGP30M
- 10A10
- MUR480
- MUR4100

Hay ocasiones en que el diodo debe ser de respuesta rápida, en ese caso, podemos usar los tipos 1N4148, 1N4448, RGP30M, MUR480 Y MUR4100 de la lista anterior.


Fig 5. Diodos 1N4148, BY255, MUR480 Y 10A10 (de izquierda a derecha), aptos para ser usados como diodos volantes

En fin, en cada aplicación concreta debe estudiarse el diodo a utilizar, pero los modelos que he enumerado anteriormente resolverán la mayoría de casos.



3. Mi fuente de laboratorio, convertida en un ladrillo por un transitorio

Este incidente puede ocurrir con cualquier fuente de alimentación que no esté debidamente protegida. Ya se trate de una fuente de laboratorio o de la fuente que el equipo o instalación tenga incorporada.


Fig 6. Bobinas de un motor DC

Durante la grabación del vídeo "tutorial electrónica básica, capítulo 22, motores eléctricos", estuve manipulando un motor DC con una potencia apreciable de 200W. Lo visteis destapado, y su rotor tenía unas buenas bobinas, Fig. 6




Después de hacer varias pruebas con ese motor, mi fuente de laboratorio enmudeció. La tensión de salida se fue a máximo: La aguja del voltímetro siempre señalaba 30 voltios, y no se podía regular con el potenciómetro de voltaje. Estaba claro que algo andaba mal, y no fue sino después de un rato que comprendí lo que había pasado: Un transitorio de las potentes bobinas del motor, unidas al hecho de que la fuente proporciona cuatro generosos amperios, provocó su avería.


Fig 7. Mi fuente de laboratorio 0-30V 4A. Fuera de combate por una bobina




























Estaba justo a medio grabar ese vídeo, y ahora no sólo tenía que arreglar la fuente (me era imprescindible para terminar el vídeo), también esto supuso un retraso en la grabación del vídeo. Así que con más resignación que otra cosa, aparté de la mesa el material de grabación y dispuse material de reparación.



3.1 Búsqueda de la avería


Fig 8. Esquema de la fuente de laboratorio 0-30V 4A
Según el esquema de la Fuente, Fig. 8, podemos ver que un pulso de corriente que ingrese a la fuente, el primer semiconductor que se va a encontrar es un transistor de pequeña potencia, el Q5, un BC167 que se encarga de regular la tensión de salida de la fuente. Además, el ataque recae en su parte más débil: La unión emisor-base, que según datasheet, aguanta tan sólo 6 voltios.

Por supuesto, este transistor estaba cruzado, cortocircuitado internamente.

También el potenciómetro de regulación de voltaje, P1, estaba quemado. Debía marcar 4K7 entre sus extremos, y daba 10 Megaohmios.

Sustituí ambos componentes, Q5 y P1, pero la fuente se negaba a funcionar. Ahora el voltímetro ya no se iba a fondo de escala sino todo lo contrario: Se quedaba a cero, y el potenciómetro de voltaje recién sustituido no regulaba.

Comprobé los otros cuatro transistores una y otra vez. Todos estaban bien. También comprobé los restantes diodos, el zener de 8V2... nada... todo bien.

La fuente seguía sin funcionar, y el tutorial se demoraba...

Pánico y pandemonium...



3.2 Un transistor que está en buen estado... y que está en mal estado


Fig 9. Transistor de potencia 2N3055, Q1 en el esquema

El principal sospechoso, el transistor final Q1, el que trabaja a mayor potencia, y por tanto el más vulnerable, el 2N3055, lo medí por activa y por pasiva, y daba OK. A la desesperada,  tomé un ejemplar nuevo y lo probé conectándolo en plan rápido a la regleta de tres cables del PCB, para ahorrarme trabajo. Por hacerlo funcionar unos segundos sin disipador no pasa nada.



Y la fuente comenzó a funcionar. Así que terminé de hacer la sustitución, y la fuente quedó perfecta.

La enseñanza de esta avería es que un transistor puede dar como bueno al medirlo con el tester, porque el tester mide al transistor con una tensión muy pequeña: La de sus pilas, y el fallo queda oculto. Sin embargo, el fallo dará la cara en ese mismo transistor cuando lo sometamos a las tensiones de trabajo normales, bastante mayores que la pila del tester.

Así que la moraleja es: Cuando estés con un circuito que tiene unos pocos semiconductores, y todo parece estar bien (soldaduras, resistencias, pistas, conectores, etc), pero sin embargo el circuito no funciona, cambia esos semiconductores sin más. La mejor forma de comprobar un transistor es cambiándolo.


3.3. Solución de la avería en la fuente

Resumiendo, la resolución de la avería consistió en sustituir:

- Q5: Transistor BC167 regulador de voltaje de salida de la fuente
- P1: potenciómetro regulación de voltaje de salida de la fuente
- Q1: Transistor 2N3055, el final de la parte de potencia

En esta fuente, cuando alguno de los dos transistores mencionados se cortocircuita, el potenciómetro de voltaje se quema (Veréis que entre extremos no medirá 4K7 ohmios sino una resistencia mucho más alta). Si alguna vez os pasa que os encontráis con este potenciómetro quemado, sustituid ambos transistores sin molestaros en medirlos. 

Por cierto, en el esquema, este potenciómetro figura como 5K. Me ha parecido verlos de ambos valores en el comercio, vale cualquiera de los dos.

Para proteger a la fuente hubiera sido suficiente con poner un diodo volante en paralelo con el motor, tal como en la figura 3. Y eso hice, y no hubo más problemas.

Debo decir que, salvo en esta ocasión, esta fuente nunca se me ha roto, y la avería no es achacable a la fuente, sino a un mal uso de la misma: Para conectarle dispositivos como este motor, se debe usar un diodo de protección. Fue fallo mío, no de la fuente.



4. El vídeo





5. Otros vídeos que pueden interesarte

Y ya que de bobinas va el tema, el capítulo 12 del tutorial de electrónica básica trata sobre ellas.





Si. También hay un capítulo en el Tutorial de electrónica básica para los relés, con detalles de cómo están hechos, como funcionan, usos, funciones básicas como enclavamiento y maniobra de motores, y mucho más




...y el capítulo 22 de este mismo tutorial, en donde se aborda el amplio mundo de los motores eléctricos, conceptos básicos, tipos de motores, usos, demostraciones reales, prestaciones...






6. Toda mi colección de vídeos de Youtube

En Youtube, una "lista de reproducción" es una colección de vídeos, normalmente de una misma temática. A continuación tienes mis listas de reproducción:











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