24 Etapa horizontal

Ya sabemos que la etapa de deflexión horizontal es un generador de corriente con forma de diente de sierra, enganchada con los pulsos de sincronismo horizontal que son enviados por la emisora. Algo muy similar ocurre con la etapa de deflexión vertical; sin embargo, los osciladores vertical y horizontal son muy distintos entre sí y el análisis de las diferencias es un interesante ejercicio didáctico.

El sincronismo vertical se llama “directo” porque el pulso de sincronismo vertical da la orden de comienzo de barrido en forma directa. Si este mismo criterio se aplicara al sincronismo horizontal nos encontraríamos con un sistema altamente inestable en presencia de ruido.

¿Por qué el ruido afecta más a un sincronismo que a otro?

Porque los ruidos industriales y atmosféricos tienen una distribución de frecuencia no uniforme. Existen más ruidos en las frecuencias cercanas al horizontal que al vertical.

La etapa horizontal cumple más de una función. Además de generar el diente de sierra de barrido, se utiliza como generador auxiliar de tensiones de fuente. Desde el horizontal se alimentan prácticamente todas las etapas del TV cuyas fuentes deban cortarse cuando el TV está en Stand-by, incluida la alta tensión para el ánodo final del tubo. Por lo tanto, el funcionamiento errático del oscilador no sólo provoca un error de barrido sino que puede traer consecuencias desastrosas en las tensiones de fuente de otras etapas del TV.

El horizontal de un TV moderno además de utilizarse para la deflexión y las tensiones auxiliares se utiliza como llave de Stand-by.

¿Cómo funciona entonces el oscilador horizontal?

Se dice que funciona en forma “volante” y se realiza en base a un VCO (Voltaje Controlled Oscilator u Oscilador Controlado por Tensión). La frecuencia libre del VCO se ajusta de modo que coincide con la frecuencia horizontal (observe el lector la primer diferencia):

1.  El oscilador vertical se ajusta a una frecuencia libre del orden del 10% menor que la de trabajo). 
2. Luego, un sistema independiente compara la fase del oscilador y la de los pulsos de sincronismo, y genera una tensión continua proporcional a esa diferencia de fase. 
3. Esta tensión continua controla el VCO para que éste cambie la frecuencia y reduzca el error de fase.

Como vemos, el control del VCO se realiza por una tensión continua que admite todas las posibilidades de filtrado y amplificación, con lo cual el sistema se comporta en forma muy versátil. Como primer medida aun sin señal se encuentra a una frecuencia muy cercana a la de trabajo. Como considero que el tema de cambiar la frecuencia para ajustar la fase es algo complejo de entender vamos a recurrir a un ejemplo mecánico.

El símil mecánico

Para aclarar los conceptos no hay nada mejor que analizar un dispositivo mecánico equivalente. El oscilador mecánico por excelencia es el péndulo; intuitivamente sabemos que a mayor longitud de hilo y mayor peso le corresponde una menor frecuencia de oscilación. El péndulo permite entender el funcionamiento de los dos tipos de osciladores enganchados; el de sincronismo directo y el de efecto volante. El sincronismo directo puede asimilarse a un péndulo que oscila a una frecuencia menor que la de sincronismo. Antes de que el péndulo termine con su ciclo normal en uno de los extremos (punto muerto derecho por ejemplo), un martillo accionado por el pulso de sincronismo, lo golpea y lo hace retornar antes de tiempo.

Fig.1 Símil mecánico de un péndulo como oscilador directo

Cuando el péndulo arranca puede existir un elevado desfasaje entre el movimiento del péndulo y el del martillo; en esa condición el martillo puede accionar sin tocar el péndulo por varios ciclos, pero como la frecuencia del péndulo no puede ser exacta, la pequeña diferencia de frecuencias hace que la fase varíe y cambie lentamente hasta que, en cierto momento, el martillo golpea el péndulo.

A partir de ese momento el péndulo sincroniza su movimiento con el del martillo abandonando su frecuencia libre. En el circuito electrónico ocurre algo parecido con alguna tensión del oscilador y el pulso de sincronismo. En la figura 2 se puede observar un circuito con un 555 en donde se observa la generación del diente de sierra de frecuencia propia y el pulso de sincronismo montado para realizar un sincronismo en 1 KHz. Se puede observar cómo el pulso de sincronismo se suma a la tensión de disparo del oscilador (cualquiera sea su tipo) pero hasta que el pulso de sincronismo no llega a cierta zona de la señal (pico positivo en nuestro caso), no puede producirse el enganche del oscilador.

Fig.2 Enganche directo

Aconsejamos al alumno que realice la simulación y pruebe de bajar a unos microvolt la entrada de sincronismo por XFG1 para observar la frecuencia libre del sistema y luego que aumente la amplitud del pulso de sincronismo para observar cuanto mas rápido se engancha el oscilador con tensiones elevadas del pulso de sincronismo.

El símil mecánico del sistema de sincronismo volante se asemeja al anterior esquema del péndulo pero sin el martillo. En lugar de éste, el hilo está colgado de una rondana y un operador acorta o alarga la longitud del mismo, para conseguir que el péndulo cambie su frecuencia de resonancia.

Fig.3 Símil mecánico del sistema de sincronismo volante

El operador del péndulo observa un metrónomo y su trabajo es poner el péndulo en sincronismo con él. Cuando comienza la oscilación del péndulo, la fase con el movimiento del metrónomo puede tener un importante error y lo más probable es que inclusive ni la frecuencia del péndulo coincida con la del metrónomo. El operador procede a acortar o alargar la longitud para que ambas frecuencias sean coincidentes y luego, con pequeñas variaciones provisorias, busca que el péndulo y el metrónomo se pongan en fase.

Entre el sincronismo directo y el de efecto volante existe una diferencia fundamental. El de sincronismo directo comienza con una frecuencia libre corrida y un instante después cambia bruscamente de frecuencia para pasar al estado enganchado. El de sincronismo indirecto comienza a oscilar con una frecuencia muy cercana a la de sincronismo y al engancharse con ésta lo hace cambiando lentamente. Inclusive las frecuencias pueden cruzarse si el operador tira muy bruscamente del hilo.

Fig.4 Cambio de frecuencia del oscilador

Prestemos atención nuevamente, al símil del sistema volante. Si nuestro operador es rápido y de carácter nervioso, con toda seguridad el sistema llegará a la condición de fase cero en forma oscilatoria) es decir pasando por arriba y debajo de la frecuencia exacta. Pero con un artilugio podemos conseguir que la corrección se vuelva más lenta. Este artilugio consiste en agregar un resorte y un peso en el hilo para que absorba los movimientos bruscos del operador, tal como se aprecia en la figura 5.

Fig.5 Símil mecánico del filtro de corrección de error

La corrección se realizará ahora más lentamente, ya que dependerá de la masa agregada y de la propia masa del péndulo y el coeficiente de elasticidad del resorte. Es muy probable que, a pesar de todo, el sincronismo se consiga antes, debido a que la curva de búsqueda pierde su característica de oscilante y va directamente a la frecuencia de trabajo aunque más lentamente.

El CAFase y el VCO

Ya estamos en condiciones de estudiar el circuito completo de un CAFase (control automático de fase) y un VCO unidos. Ellos forman lo que se llama “base de tiempo horizontal” de TV. Primero analizaremos el diagrama en bloques de la figura 6 y luego los diferentes circuitos eléctricos.

Fig.6 Diagrama en bloques generico de un control de fase horizontal

El CAFase cumple la función de nuestro operador del símil mecánico. Observa la señal del oscilador (péndulo) tomando una muestra y la compara con la señal de sincronismo horizontal (metrónomo). Genera una tensión continua (fuerza aplicada al hilo) que es proporcional al desfasaje observado.

La tensión continua de error (fuerza) se aplica a través de un resistor (resorte) que carga a un capacitor (masa agregada y masa del péndulo) para evitar que se produzcan cambios bruscos de la tensión de control. R1C1 recibe el nombre de filtro anti hunting (literalmente anti-oscilación) y en realidad es un filtro algo más complejo que el indicado que será posteriormente explicado en detalle. El CAFase recibe, por lo tanto, dos señales alternas y genera una continua proporcional a la fase entre las dos primeras. Estas señales son tan importantes que reciben un nombre específico: “muestra M”, la producida por el oscilador; “referencia R”, la de los pulsos de sincronismo y “tensión de error E” la tensión continua que controla el VCO. Si el lector conoce algo de técnicas digitales habrá reconocido la disposición presentada con un nombre distinto al indicado. En efecto, un circuito integrado que contiene un CAFase y un VCO se conoce también con el nombre de PLL (Phase Locked Loop = Lazo Enganchado de Fase).

Circuitos de VCO

Se puede decir que, como VCO, se utilizaron todos los circuitos osciladores conocidos hasta la fecha. Los primeros que se usaron fueron los RC que no eran más que multivibradores astables, primero a válvulas y luego a transistores. En este circuito, la frecuencia de oscilación está dada por las constantes de tiempo RC y por las características de los transistores (sobre todo la tensión Vbe). Esta dependencia hace que el circuito tenga una variación de la frecuencia con la temperatura y con el envejecimiento de los componentes. La versión moderna de estos circuitos son los circuitos integrados del tipo 555 como el que observamos en la figura 7 que mediante técnicas de diseño especial del circuito interno son prácticamente insensibles a los cambios de temperatura. El envejecimiento de los componentes y su variación con la temperatura se resuelve utilizando resistores de carbón depositados al 1% y capacitores de polyester metalizado. Ambos tipos de componentes tienen una curva de variación con la temperatura que se compensa perfectamente entre si.

Fig.7 Oscilador horizontal tipo 555

El potenciómetro se reemplaza luego por la tensión de error y Cf es el capacitor de filtro de la tensión de error. En realidad el 555 no se utiliza realmente en esta función pero su circuito interno forma parte de muchos CIs de la década del 80 del siglo pasado. 

Para solucionar el problema de la inestabilidad térmica que exigía un ajuste de la frecuencia libre por parte del usuario, se comenzaron a utilizar circuitos LC generalmente de la variedad Hartley, del cual damos un ejemplo en la figura 8.

Fig.8 Oscilador Hartley

En realidad, el oscilador está formado sólo por Q2; Q1 se agrega como transistor reactancia variable para conseguir el control de frecuencia. El transformador T1 produce una realimentación positiva que establece la oscilación. La frecuencia de la misma se determina por intermedio de C2 y la inductancia del bobinado de base. Se puede observar que para la CA, el capacitor C2 está conectado en paralelo con la inductancia de base, ya que C3 es mucho mayor que C2. R2 y R3 operan como polarización de base. El transistor Q1 se comporta como un inductor que varía con la tensión de error del CAFase o Verror.

Al cambiar el inductor en paralelo con la bobina de base de T1, conseguimos cambiar la frecuencia del oscilador que era el fin buscado por el circuito. 

Los circuitos integrados de primera generación hacían uso de generadores RC, pero internamente compensados en temperatura. Por lo general, el circuito integrado poseía una patita donde se conectaba un resistor fijo en serie con un preset y otra donde se conectaba un capacitor que completaba la constante de tiempo, de la forma mostrada en la figura 9.

Fig.9 Oscilador horizontal RC genérico

La salida del oscilador horizontal por lo general no es accesible desde el exterior, ya que el mismo circuito integrado contiene el CAFase y la etapa preexcitadora horizontal. El lector notará que el circuito integrado se alimenta desde una fuente llamada +H diferente a la clásica fuente +B por lo general de 12 o de 9V, que alimenta al resto de las etapas. Esto no es casual, ocurre que, como dijéramos previamente, la etapa horizontal es a su ves la llave de encendido del TV. Para que el TV arranque, es necesario utilizar una fuente que no dependa del horizontal y que se conoce como fuente de arranque +H. Por lo general, esta misma fuente se utiliza para mantener el TV en la condición de espera (STAND BY).
En efecto, el microprocesador, el receptor del control remoto, el fly-back y el driver están alimentados esperando que el usuario de la orden de encendido. Todos los demás circuitos se encuentran alimentados por bobinados auxiliares del fly-back. Cuando el usuario da la orden +H pasa al estado alto, el transistor de salida horizontal comienza a conmutar y enciende el TV.

Osciladores a cristal y a filtro cerámico

Un filtro cerámico considerado como una caja negra es similar a un cristal. Aunque el principio de funcionamiento es distinto, exteriormente ambos componentes se comportan de modo similar: como un circuito resonante paralelo o serie de elevada estabilidad y frecuencia fija, ajustable sólo por el fabricante al elegir sus parámetros en el momento de construirlo (y un pequeño ajuste por parte del circuito). En principio, la mayor diferencia se encuentra en la estabilidad; un filtro cerámico no tiene tanta estabilidad como un cristal pero es mucho más estable que un filtro RC.

Como ventaja podemos decir que un filtro cerámico cubre frecuencias tan bajas como 100kHz, cosa imposible para un cristal común ya que tendría un tamaño tan grande que su costo sería muy elevado. De cualquier modo es imposible hacer filtros cerámicos de frecuencia tan baja como la frecuencia horizontal. Por eso lo común es utilizar un filtro que oscile a 32 FH y luego un divisor de frecuencia por 32. Los filtros cerámicos usados en el oscilador horizontal son componentes de dos patas que presentan una impedancia muy elevada a la frecuencia de trabajo. Para el reparador, el principio de funcionamiento del filtro cerámico y el del cristal no tiene mayor importancia; ambos se basan en el efecto piezoeléctrico estudiado por los esposos Curie y con eso es suficiente.

Si Ud. conoce cómo es un oscilador a cristal, ya conoce cómo funciona un oscilador a filtro cerámico ya que los circuitos son similares. Por lo tanto, daremos apenas un pantallazo para refrescar el conocimiento de los circuitos.

Un oscilador es un amplificador con una fuerte realimentación positiva desde la salida a la entrada. Si la red de realimentación tiene una curva de respuesta selectiva en frecuencia, la oscilación se establecerá a aquella frecuencia en que la red tiene un máximo de realimentación positiva. Como ejemplo vamos a considerar dos osciladores clásicos, el de realimentación colector base y el de colector emisor que mostramos en la figura 10.

• El circuito “A” funcionaría como un amplificador con una ganancia determinada por la relación R3/R4, si no fuera por la red de realimentación que se comporta como una red selectiva que realimenta la salida a la entrada y además produce una inversión de 180 grados. Al conectar la fuente de alimentación, se produce un impulso abrupto en el colector; este impulso tiene componentes de todas las frecuencias y entre ellas las componentes del filtro, que son acopladas con inversión de fase a la base, de modo tal que los semiciclos positivos en colector se transforman en semiciclos negativos en la base. Esta señal en la base es amplificada por el transistor, de forma tal que refuerzan la amplitud de la componente de colector original. Finalmente, el circuito termina oscilando a la frecuencia del filtro colector base.

FIG.10 Circuitos oscilador a cristal y filtro cerámico

• El científico que estudió los osciladores se llamaba Varkhausen. El determinó que para que un circuito oscile se debe cumplir la que luego se llamó condición de Varkhaussen, que simplemente dice que el producto de la ganancia por la atenuación del filtro debe ser mayor a uno. Como no es fácil construir un filtro con características inversoras de fase, se puede recurrir al circuito “B” que no requiere de esta característica por estar realimentado entre el colector y el emisor, que son dos electrodos que se mueven en fase.
• Los osciladores a filtro cerámico indicados por “C” son muy escasos y tienen realimentación por colector base (requieren dos patas del jungla. Allí la red inversora está construida por el propio filtro cerámico y los capacitores C3 y C4. El capacitor C3 junto con el resistor R11 producen un desfasaje de 90 grados a 32 FH. Por otro lado, a la frecuencia de resonancia del filtro, éste se comporta como un resistor que junto con el capacitor C4 produce otro desfasaje de 90 grados. Ambos desfasajes sumados producen el desfasaje final deseado de 180 grados que necesitamos para el funcionamiento del oscilador.
• El funcionamiento del oscilador “D” se basa en realimentar con dos resistores entre el colector y el emisor con C5 como desacople de CC; en la unión de ambos resistores se conecta el filtro cerámico a masa que presenta baja impedancia a todas las frecuencias salvo a la frecuencia del filtro cerámico, en donde presenta alta impedancia y por lo tanto máxima realimentación. Note que los filtros son de diferente tipo porque uno usa la resonancia serie y otro la resonancia paralelo.

Conclusiones

Como vimos en esta lección, en un TV, se usó a lo largo del tiempo, cualquier tipo de oscilador. Originalmente eran multivibradores u osciladores LC, luego se utilizaron los mismos circuitos pero colocados adentro de los circuitos integrados horizontales primero y los junglas después. Y finalmente se utilizó para ambos osciladores el conocido 555 adaptado a su función especifica de oscilador astable.

En el momento actual los TVs no poseen osciladores. Si leyó bien, el oscilador horizontal desapareció del diagrama en bloques de un TV y junto con él se confirmó la desaparición del oscilador vertical. Actualmente los TVs no poseen el famoso filtro cerámico de 500 KHz. Se arreglan con los cristales de color debidamente divididos en frecuencia hasta llegar a frecuencias de 15.625 Hz en norma N o 15.630 Hz en norma M. La idea es: si el color esta enganchado el horizontal obtenido por división también lo estará.

¿Y cuando se trata de un multinorma? Es posible que comience con un divisor equivocado pero antes que se caliente el filamento del tubo, el TV ya eligió la norma correcta y todo pasa desapercibido para el usuario. Pero no puede pasar desapercibido para el reparador. Nosotros debemos saber como arranca el TV porque si ese cristal falla, no arranca en ninguna norma.

En la próxima lección vamos a explicar como funciona el CAFase horizontal de un TV y como funciona su filtro anti hunting (antioscilaciones) que es un sector del TV que falla muy poco pero que cuando falla genera muchos problemas al reparador.