Cómo reformar la fuente de un ordenador (II)

En entregas anteriores, pudimos ver algunas fallas clásicas de fuentes de ordenador y comenzamos a estudiar la arquitectura interna de una fuente basada en el circuito integrado SG6105. Dentro de las posibles reformas, para adaptar este tipo de dispositivos a nuestras aplicaciones, vimos la incorporación de un control variable de la tensión de salida y analizamos la real capacidad de entregar energía que estas fuentes poseen, promesa que (en muchos casos) no coincide con lo que el fabricante nos promete en la etiqueta del gabinete. Hoy, trabajaremos sobre el transformador de conmutación y veremos los primero pasos de una reforma  que nos permitirá alcanzar los valores de tensión y corriente que se nos ocurra, además de descubrir algunos pequeños secretos que harán de esta nueva fuente de alimentación, un elemento valioso entre tus herramientas habituales.

Luego de haber observado en el artículo anterior que la salida de 12Volts, al igual que la de 5Volts, poseía una realimentación hacia el pin 17 del SG6105 comprendimos que la referencia respecto a GND, en ese pin de entrada al circuito integrado, nos permitiría acceder a un control variable de la tensión de salida de la fuente de alimentación. Siguiendo un análisis sencillo del último circuito mostrado en la entrega anterior y del texto expresado, también podemos deducir que si el SG6105  mantiene, en este pin 17, una tensión de 2,5Volts, su funcionamiento será estable y dentro de los márgenes de diseño de la fuente de alimentación. Imaginemos por un momento que la fuente entrega en una de sus salidas una tensión de 25Volts. ¿Qué debiera suceder para mantener el “equilibrio” de funcionamiento? Muy sencillo, debiéramos tener a la salida de esta tensión un arreglo resistivo (conjunto de resistencias), conectado al pin 17 del SG6105, para informarle que la salida está operando en estado satisfactorio y que mantiene este pin a los 2,5Volts que el circuito integrado necesita para trabajar en forma estable. Repasemos la estructura del divisor que actúa sobre el pin 17

Si consideramos que el pin 17 del SG6105 representa una alta impedancia para el divisor resistivo de ejemplo que dibujamos a la derecha, es decir, no se toma en cuenta la corriente de entrada a este pin o se considera despreciable para los cálculos; en los extremos de Rb necesitamos tener 2,5Volts y nada más debe preocuparnos. Si V1 o V2 o V3 varían su valor por el consumo exigido a cualquiera de esas salidas específicas de la fuente de alimentación, el circuito sufre un des-equilibrio, la tensión del pin 17 cae por debajo de 2,5V y el SG6105 actúa sobre el control de la conmutación de potencia para restaurar los niveles de salida a los valores pre-establecidos. De este modo podemos trabajar con cargas variables en cualquier salida de la fuente de alimentación ya que este circuito se encargará de monitorear en forma constante cualquier variación de tensión en cualquiera de las salidas. En nuestra fuente nos encontramos con el circuito de la izquierda, donde las tensiones que se utilizan para el monitoreo son las de 5Vols y 12Volts. Observa que en línea de puntos dibujamos una eventual tercera entrada para ingresar con un nuevo valor de tensión. De ese modo entonces, podemos controlar y mantener constante cualquier tensión de salida que se nos ocurra agregar al sistema ya existente, a pesar de los consumos variables que esta pudiera tener. Pero, ¿cómo haríamos esto de agregar una nueva tensión de salida?

El análisis en este punto se transforma en sentido común y es aquí donde interpretamos que estamos deseando transformar y/o reformar una fuente existente en otra, por lo tanto, el transformador original ya no necesitará tanto diámetro de alambre para tensiones que no utilizaremos o, en su defecto, emplearemos como accesorias. Esto es, los arrollamientos de 5Volts y 12Volts pueden pasar a ser bobinados de menor diámetro de alambre ya que no necesitaremos más que un par de amperes en ellos (o mucho menos). Por ejemplo, la salida de tensión de 3,3Volts puede ser utilizada para microcontroladores, IMU’s y cualquier otro dispositivo donde la corriente total requerida quizás nunca alcance los 500mA. Otra tensión que podría disminuir su necesidad de drenaje de energía es la salida de 5Volts. Aquí la corriente puede llegar a alcanzar a un Amper al igual que en la salida de 12Volts. Lo importante de entender, entonces, es que tenemos una única “cantidad” de energía y debemos distribuirla de la manera más eficaz que nos sea posible. En nuestro ejemplo, no utilizaremos ninguna de las salidas pre-existentes sino que sólo nos interesará obtener una fuente de tensión única. Y si el desarrollo (más adelante) lo requiere, de las salidas clásicas sólo utilizaremos muy  poca corriente (<100mA). Por lo tanto, a excepción del bobinado primario, los arrollamientos secundarios pueden disminuir su tamaño físico de manera notable.

Al momento de desarmar nuestro transformador para adaptarlo, observamos que el bobinado dedicado a los 5Volts está formado por 3 alambres de 0,5mm de diámetro que se arrollan juntos y en un orden determinado. Por su parte, el bobinado de 12Volts está formado por dos alambres del mismo diámetro que el anterior. Haciendo un razonamiento (casi infantil) podemos asumir que el bobinado para 12Volts debiera haber sido capaz de suministrar 2/3 de la corriente que entregaba la salida de 5Volts. Esto es (en la etiqueta) nuevamente irreal, ya que si tres alambres pueden suministrar 25Amperes, dos alambres debieran poder entregar más que 10Amperes en la salida de 12Volts, pero asumiremos esta limitación al hecho de que utilizaba rectificadores de 3Amperes en esta salida. Además, podemos aceptarle este valor (12Volts @ 10Amperes) admitiendo que la potencia sería equivalente a 125Watts en 5Volts y a 120Watts en 12Volts, si nos dejamos guiar por simples cálculos de una potencia que ya no necesitaremos. Por lo tanto, al re-bobinar el transformador, lo haremos respetando la cantidad de espiras necesarias para que la relación “espiras-volt” se mantenga respecto al bobinado primario, pero el diámetro del alambre utilizado será notoriamente inferior.

¿Qué intentamos lograr con esto? Seguir generando con el transformador las tensiones que el SG6105 necesita para funcionar correctamente y ganar lo más valioso dentro de un transformador: espacio para bobinar un nuevo arrollamiento. Siguiendo la misma técnica observada al des-bobinar el transformador, crearemos “en una única capa” todos los bobinados necesarios para que, en “una parte” del secundario, podamos seguir obteniendo los valores de tensión que el SG6105 nos exige. Además, quitaremos los rectificadores de 5Volts y 12Volts para reemplazarlos por pequeños diodos rápidos que cumplirán la misma función que los anteriores. Recuerda, sólo necesitamos referencia interna y, de ser necesario, poca corriente hacia el exterior. Iniciando el trabajo, lo primero que haremos es retirar el transformador y sumergirlo durante 24 horas en solvente (el que se utiliza para remover o diluir pinturas, conocido como Thinner). Otras técnicas hablan de hervirlo, pero esto podría deformar el carrete que contiene los bobinados por lo que no te aconsejamos esta técnica. Por supuesto, el solvente arruinará a todos los bobinados, pero no te preocupes, la intención es desarmarlo en forma completa para volver a construirlo y así comenzamos.

Luego del prolongado baño de inmersión, las cosas son simples. Lo primero que debemos hacer es comprobar que el carrete que contiene los arrollamientos se haya soltado del núcleo de ferrite (o ferrita) y pueda moverse o desplazarse. Luego de retirar la cinta externa y dejar el núcleo al descubierto, es muy probable que aún se encuentren pegadas entre sí las piezas que lo forman. No intentes golpearlo o hacerle demasiado esfuerzo brusco, ten presente que es como un vidrio y se quiebra con mucha facilidad (trata además, que no se te caiga al suelo). Para despegarlo toma el soldador más potente que tengas y caliéntalo en la zona de la barra recta, o como popularmente se la conoce; la “I”. Aplícale calor en los tres puntos de contacto que posee con la otra parte (la “E”) y prontamente las secciones se despegarán. Si esto no sucede, utiliza una plancha de hierro sobre la llama de la cocina y apóyalo del lado de la “I”, con la plancha bien caliente durante unos minutos (cuidado que no se deforme el carrete con el calor). Tómalo con algún género grueso para manipularlo e intenta separar las partes con poco esfuerzo, como si quebraras un palillo dental. Si aún no logras hacerlo, vuelve a sumergirlo durante otras 24 horas en el solvente y repite el procedimiento. En nuestro caso, fue muy sencillo al primer intento, tal como te muestro en las imágenes. Luego, sólo es cuestión de anotar, fotografiar y/o filmar cada espira que se retira del transformador. Debes dejar registro del orden, la cantidad de espiras, el diámetro del alambre y el sentido de des-bobinado (de arriba hacia abajo o viceversa). Cualquier detalle que creas menor, pude ser un problema. No confíes en tu memoria, anota y registra todo.

En el gráfico superior está el resumen de lo que encontramos nosotros al desarmar nuestro transformador. Quizás encuentres lo mismo, quizás no, pero el concepto de oro aquí es “reproducir el bobinado primario con la misma cantidad de vueltas y el mismo tipo de alambre”. De este modo garantizaremos el régimen de trabajo del primario de alimentación y podremos extraer de la fuente la misma potencia (o lo más aproximado que se pueda) que tenía al inicio del trabajo. Ya que hablamos del primario en este párrafo, nosotros lo encontramos bobinado en dos capas. Una inicial y otra que estuvo hecha al final de todos los bobinados y a eso lo puedes ver en la imagen superior. Al momento de rehacer el transformador no respetamos esta técnica constructiva y arrollamos las dos capas de 18 espiras, una encima de la otra, dejando el bobinado primario listo y ubicado íntegramente en la parte interior del conjunto.

Para el secundario, como te mencionamos antes, que necesitamos para obtener las tensiones de referencia que ingresan al SG6105, haremos el trabajo inverso al realizado durante el des-bobinado. Es decir, iniciaremos los arrollamientos del modo y en el sentido en que terminaban los antiguos. Esta es una de las razones por las cuales las anotaciones serán fundamentales; un error en el sentido del arrollamiento y los resultados pueden resultar muy diferentes a los esperados. Lo interesante de este trabajo será que al reducir la sección necesaria para cada bobinado, mantener la misma cantidad de vueltas significará que todos los secundarios podrán entrar en una capa única y tan delgada como sea el espesor del alambre utilizado. Por supuesto, esta elección será fundamental al momento en que necesitemos tomar alimentación de estos nuevos (reformados) bobinados secundarios, condición que admitimos al emprender la reforma.

En imágenes, nuestro trabajo se veía de la siguiente manera: el bobinado primario estará completo con sus 36 espiras en la parte interior del carrete (imagen superior); luego, las tres espiras que antes eran de alambre triple, ahora serán de alambre único. (Imagen inferior izquierda) En el orden de des-bobinado estaríamos pasando del cuarto al tercer paso donde nos alcanzará con un alambre doble de 0,30mm de diámetro (llegamos a 0,60mm) y lo último que realizamos son las 4 espiras del doble bobinado destinado a los 12Volts. Nota importante: en las imágenes, las espiras se pueden ver con poca tensión mecánica, es decir, los arrollamientos algo “flojos”; sin embargo, al momento del armado final, las espiras deben quedar tan tensas y tan rectas en las curvas del carrete como sea posible. Por supuesto, el mismo criterio se debe emplear para mantener las espiras juntas unas a otras y alcanzar así la mayor cantidad de espiras por capa de arrollamiento. En nuestro caso, con una sola capa fue suficiente para todos los arrollamientos. Observa el resultado en la imágenes inferior derecha:

Ahora disponemos de de un gran espacio para arrollar allí el bobinado que se nos plazca, sin embargo, antes de cualquier nuevo trabajo debemos comprobar que toda la teoría descripta hasta aquí es aplicable a este trabajo  y la fuente de alimentación continúa funcionando, entregando las tensiones originales. Esto nos brindará seguridad de que estamos en la buena senda y que la reforma está próxima a concretarse con éxito. ¿Funcionará?, veamos:

El próximo (y último) paso será realizar los arrollamientos necesarios para alcanzar las tensiones útiles deseadas en nuestra aplicación y desde donde extraeremos una señal de control para mantener el funcionamiento adecuando ante eventuales variaciones de consumo en la carga aplicada a esta nueva salida de tensión. Otra parte importante que veremos será el filtrado “genérico” que realizaremos en nuestra fuente experimental y que te servirá de guía para construir el que tú necesites, pero no nos apuremos, por ahora tenemos un trabajo específico y es “adelgazar” nuestro antiguo transformador manteniendo el funcionamiento de la fuente de alimentación y, si es necesario, mantenerla activa como generadora de las clásicas tensiones originales. Estarán reducidas en rendimiento de corriente, pero serán útiles para energizar nuestros circuitos de control embebidos.