25 Osciladores horizontales
En el momento actual los junglas utilizan los osciladores a cristal de la sección de color como osciladores horizontales y no poseen ya el oscilador a filtro cerámico de 32FH. De algún modo generan la frecuencia horizontal a partir de la frecuencia de la subportadora de color y luego, también por división, la frecuencia vertical, pero no podemos dejar de estudiar los osciladores horizontal más comunes que son los de filtro cerámico de 32 FH ya que si hiciéramos un análisis cuantitativo tal vez la mitad de los TV que ingresan a un taller de América Latina probablemente son de este tipo.
Repasando hasta ahora sabemos que en los TV más comunes la señal de video compuesta mas la subportadora de sonido sale de jungla ingresa en el sistema de FI de sonido, luego se filtra con una trampa de 4,5 MHz e ingresa a un seguidor por emisor para reducir la impedancia. De ese emisor se toman tres caminos de regreso al jungla, uno va directamente o a través de una línea de retardo de luminancia y filtro de 3,58MHz y es la entrada de video (Luma = Y) y el otro suele ingresar a través de una red LC o con filtro cerámico y es la entrada de la subportadora de color. La tercera es la separadora de sincronismos que ingresa como una señal de video deformada y dentro del jungla se transforma en la señal de sincronismo horizontal H y la de sincronismo vertical V.
La señal H llega a la zona del CAFase H junto con la señal del oscilador horizontal que precisamente estamos estudiando. Estos osciladores pueden ser de diferente tipo pero siempre se trata de un VCO (Voltaje Controled Oscilator = oscilador controlado por tensión). No importa como oscila, el tendrá una pata de control de frecuencia que funciona por tensión. La señal H y una señal derivada del oscilador ingresan a un CAFase que genera la tensión continua de error que controla al VCO.
A continuación vamos a estudiar en detalle los VCO a filtro cerámico e inversores; los osciladores tipo 555 y posterioremente un CAFase real entre el oscilador y el pulso de sincronismo.
Osciladores de 32 FH con filtro cerámico e inversores
Un oscilador horizontal actual tiene que funcionar en dos frecuencias por lo menos cuando no en tres. Por lo menos debe funcionar en los sistemas PAL y NTSC (15.625 y 15.750Hz respectivamente) debido a la imposibilidad práctica de construir filtros cerámicos de frecuencias tan bajas ya sabemos que en realidad funcionaran en un armónico superior. Por lo tanto del filtro cerámico no puede ser elegida al azar, sino en valores armónicos de la frecuencia horizontal para que el contador cuente por un número entero. De estudios económicos y de factibilidad se dedujo que las frecuencias más convenientes están en el orden de los 500kHz y que los contadores deben contar por un valor 2 elevado a la “n” en donde “n” debe ser un valor entero y pequeño. Esto significa que el valor de conteo debe ser 2, 4, 8, 16, 32, 64, etc, debido a la facilidad para construir circuitos que cuenten por estas cantidades.
Tomando el factor 32 podemos calcular que la frecuencia del filtro cerámico será de 32 x 15.625Hz = 500kHz para PAL y 504kHz para NTSC que es la frecuencia postulada como ideal en lo económico y confiable. ¿Necesitamos entonces un conmutador de filtros para un TV binorma? No, en la práctica debido a que el rango de reenganche del CAFase es suficientemente amplio, sólo se utiliza uno que por lo general es el de 500kHz (mejor sería de 502KHz). En la figura 24.2.1 se puede observar los osciladores mas comunes a inversor de dos patas y de 1 pata.
Fig.1 Oscilador por filtro cerámico de 32FH a dos y a una pata
¿Cuáles son los contadores utilizados universalmente?
Son del tipo de registro de desplazamiento (shift register) que no son más que una cadena de flip-flop RS en donde un primer divisor divide por dos, el siguiente vuelve a dividir por dos la salida del anterior y así sucesivamente; es decir que con 5 etapas se consigue la división por 32 que estamos buscando.
El diagrama en bloques completo de la sección osciladora se puede observar en la figura 2. En él vemos que el circuito tiene dos salidas; una corresponde a la salida horizontal de 15.625Hz o 15.750Hz y una salida anterior en donde se obtiene 31.250 o 31.500Hz que están destinadas al generador vertical por conteo y al generador horizontal de los TV que pueden trabajar con barrido progresivo.
Fig.2 Oscilador horizontal por conteo y filtro ceramico
Ahora vamos a ocuparnos de los osciladores a RC compensados en temperatura que funcionan por nivel de carga y descarga de un capacitor debido a su uso intensivo en diferentes sectores de los TV antiguos y modernos. Estos osciladores están basados en el conocido integrado 555.
Fig.3 Circuito de un VCO tipo 555
Con Q1 abierto, el capacitor C1 se carga a través de R2+R5 desde VCC (en realidad +H en la mayoría de los TVs). Cuando la tensión sobre C1 supera la del nodo de unión de R1 con R3), el comparador U1A cambia bruscamente su salida a valor de fuente y opera el flip flop biestable que hace conducir a Q1, y comienza la descarga de C1 por R5.
Esta descarga continúa hasta que la tensión del capacitor llega a un valor inferior a la del nodo de unión de R3 y R4, momento en que cambia la salida del comparador B, que pasa de masa a fuente, modificando el estado del FF biestable y con ello la de Q1 que se abre e inicia un nuevo ciclo de trabajo. La frecuencia del VCO depende fundamentalmente, de R1+R5 y C1, pero también depende de las tensiones mínima y máxima de C1 coincidentes con la tensión de los nodos anteriormente nombrados. Por lo tanto, cualquier variación en la tensión de los nodos provocará un cambio en la frecuencia del VCO, que es el efecto buscado.
La señal sobre C1 es realmente algo obvio; evidentemente sobre el existirá un diente de sierra con alguna distorsión parabólica (porque no hay una carga y descarga con un generador de corriente). La tensión máxima será la del terminal + de U1A y la mínima la del terminal + de U1B. Como R1 = R3 = R4 esto significa que el diente de sierra se desarrollará entre 1/3 y 2/3 de la tensión de fuente. Por ejemplo con una fuente de 9V (clásica en TV) el diente de sierra varía entre 3 y 6V.
El capacitor C1 se carga por R2+R5 y se descarga por R5 solamente. Eso significa que si R2 es igual a R5 se carga con una constante de tiempo doble a la constante de tiempo de descarga. No es difícil entender que para que el tiempo de carga sea igual al tiempo de descarga se debería cumplir que R2 + R5 = R5 y esto es una inecuación porque solo se cumple si R2 es igual a 0. En otras palabras nunca se puede lograr que el tiempo de actividad sea igual al 50% lo cual no implica que el circuito no se pueda usar como excitador en TV ya que en este caso se requiere que el periodo de actividad sea del 60 al 70% aproximadamente. Para los que gusten de las matemáticas ahora la ecuación es R2 + R5 = R2/0,65 -> R2 + R5 = 1,53.R2 -> R5 = (1,53-1) R2 ->R5 = 0,53 R2 es decir que R5 es prácticamente la mitad de R2.
En cuanto a la frecuencia de trabajo se calcula como la inversa de la constante de tiempo del circuito (R2+R5) . C1 y luego se ajusta en forma práctica. Si tiene instalado el WB Multisim no tiene que realizar ningún cálculo porque en la solapa herramientas (Tools) existe una opción 555 que diseña el circuito según la pantalla de la figura 4.
Fig.4 Pantalla de calculo de un 555 o similar
Ud. solo debe colocar le valor de frecuencia y el periodo de actividad y el programa le avisa si se puede resolver con el capacitor C elegido. Si no se puede le da la opción de cambiarlo hasta que se obtenga un resultado adecuado (se ilumina Build Circuit).
La salida del circuito se obtiene desde el biestable y es una señal rectangular que, debidamente amplificada por la etapa de salida interna, está en condiciones de operar la siguiente etapa, llamada “excitadora” o “driver horizontal”.
Vamos a analizar ahora las diferentes patas del integrado comenzando por la pata de descarga.
- Su función es conectar al exterior la llave a transistor Q1.
- Luego tenemos un terminal muy importante que es el de control.
- Si “control” está desconectado la tensión de comienzo de descarga es de 3V para 9 V de fuente.
- Pero si se aumenta “control” la frecuencia aumentará y si se disminuye la frecuencia disminuirá. Por supuesto no se puede evitar que cambie el periodo de actividad pero como la frecuencia solo variará muy poco el circuito es muy efectivo.
- Luego nos queda los terminales de umbral y disparo que en el astable están siempre unidos. Si se aplican pulsos de sincronismo positivos antes que C1 llegue a la tensión natural de disparo U1A está obligado a cambiar de estado y el oscilador se sincroniza en forma directa. Esto se usa en osciladores verticales a diferencia del terminal “control” que se usa en horizontales.
- Por ultimo solo nos queda el terminal “Reset” muy útil para encender y apagar el oscilador en aquellos TVs que usan al transistor de salida horizontal como llave general cortándole la excitación (en la actualidad son la gran mayoría).
Circuitos prácticos de CAFase horizontal
El CAFase tiene por función comparar la fase del pulso de sincronismo horizontal (referencia R) con el pulso de retrazado horizontal (muestra M), que se genera en el oscilador.
A los efectos del análisis del CAFase, podemos suponer que con la señal rectangular de salida del oscilador debidamente amplificada se genera de algún modo una señal con forma de diente de sierra de corriente circulando por el yugo. Más adelante veremos que en realidad el pulso de sincronismo horizontal debiera compararse directamente con la rampa de corriente que circula por el yugo, pero no es simple obtener una muestra de la corriente que circula por el, debido a los elevados valores que se manejan (3 A aproximadamente).
Es más simple generar una señal equivalente a la que circula por el yugo por integración de una señal derivada del oscilador. Si ampliamos el sector de retrazado horizontal podremos observar que se trata de una recta con una pendiente elevada y con un valor nulo en su parte central.
Para realizar la primer experiencia con un CAFase diseñamos un astable con un 555 y un monoestable con el mismo integrado de forma de obtener un diente de sierra de tensión equivalente al diente de sierra de corriente por el yugo horizontal y además generamos la forma de señal de salida adecuada para atacar a la etapa driver.
Fig.5 Oscilador y salida horizontal
En el circuito pusimos un osciloscopio de 4 canales para poder realizar comparación de oscilogramas con mas facilidad. El oscilograma que tomamos como referencia es la señal del oscilador podemos observar en la figura siguiente.
Fig.6 Oscilograma del oscilador y la salida para el driver
En rojo, la salida del oscilador tiene un tiempo de actividad muy corto del orden del 18% del total es decir 12 uS de duración que es lo que dura el retrazado horizontal. Esos pulsos se utilizan para dos funciones: A) generar el diente de sierra de tensión similar al de corriente y B) excitar al monoestable que será quien en definitiva genere la forma de onda de color verde que presenta un 65% de tiempo de actividad adecuado para excitar al driver horizontal.
En la figura siguiente se puede observar la otra salida del circuito que es el diente de sierra equivalente de tensión.
Fig.7 Diente de sierra equivalente de tensión
El oscilograma azul es el que debe compararse con los pulsos de sincronismo horizontal existentes dentro del mismo jungla. El sincronismo se considera perfecto (frecuencia horizontal libre del oscilador clavada en 15625/15750 Hz) cuando Los pulsos H se encuentran justo en el punto en que el diente de sierra cruza el eje cero.
En la figura siguiente se representa justamente la condición de enganche perfecto indicado por los pulsos de sincronismo H (de color violeta) ubicados en la parte central del retrazado del diente de sierra.
Fig.8 Condición de sincronismo perfecto
Esta condición de sincronismo no se logra prácticamente nunca en momentos en que se enciende el TV, se cambia de canal o hay una perdida de señal. Recuerde el caso del péndulo con rondana. La frecuencia del péndulo y el metrónomo puede ser exactamente la misma pero la fase puede estar errada.
- En aquel caso el operador del péndulo tiraba del hilo o aflojaba para adelantar o atrasar el oscilador hasta que el pulso se desplazaba hasta el lugar correcto momento en que volvía a la longitud normal del hilo.
- Luego si observaba un corrimiento con el metrónomo, tiraba o aflojaba suavemente para mantener el péndulo en fase.
En el mundo electrónico ocurre algo similar:
- Cuando encendemos el TV el oscilador tienen una fase aleatoria y el CAFase la analiza variando la frecuencia del oscilador provisoriamente hasta que se recupere la fase .
- Una vez recuperada vuelve a la frecuencia libre y va corrigiendo cualquier error de fase que se produce porque esa frecuencia libre difícilmente coincida con la correcta.
- Mirando el osciloscopio parecería que lo que se corre es el pulso de sincronismo pero nosotros sabemos que eso es imposible, realmente se corre el diente de sierra producto de la frecuencia del oscilador.
Tratemos de entender como se corre la frecuencia para lograr la puesta en fase. Todavía no conocemos el circuito del CAFase, pero imaginemos por un momento que el mismo entrega una tensión continua igual o proporcional al valor que tenga el diente de sierra en el momento que aparece el pulso de sincronismo. Es decir que el circuito toma una muestra del diente de sierra cuando llega H. Como ejemplo supongamos que M y R (Muestra y Referencia) se encuentran como en la figura siguiente. El CAFase obtiene una tensión positiva que se aplica al VCO, con el fin de reducir su frecuencia o aumentar su período.
Fig.9 Caso en que la frecuencia libre del oscilador coincide con la nominal
Es evidente que al aumentar el período, el flanco ascendente de la muestra se atrasa, de modo que el pulso de sincronismo se acerca al cruce por cero de la muestra. Si la corrección no es suficiente, el sistema volverá a entregar una tensión continua de error positiva, de manera que se realice una nueva corrección. Así opera el CAFase por ciclos repetitivos hasta que logra una perfecta corrección de la fase. En ese momento deja de producir la tensión de error y el sistema permanece con error cero, hasta que el usuario cambie de canal o apague y vuelva a encender el TV.
En el ejemplo anterior, realizamos una importante simplificación. Consideramos que la frecuencia del VCO estaba justo en su valor correcto. En un caso más general, esto no ocurre ya que tanto la fase como la frecuencia estan corridas; es decir que la frecuencia central del VCO con tensión de error cero siempre está levemente corrida, de manera que para mantener la fase correcta en todo momento, el CAFase debe presentar una tensión de error no nula que compense el corrimiento de frecuencia del VCO. Esto, a su vez, implica que el sistema estabiliza su funcionamiento con un error de fase constante que depende de qué tan corrido esté el VCO.
Fig.10 Caso en que la frecuencia libre del oscilador no coincide con la nominal
El error de fase constante suele ser lo suficientemente pequeño como para que no exista ninguna manifestación evidente en la pantalla del TV. En realidad, si existe una que es muy lógica, y se aprecia claramente si cambiamos la frecuencia del VCO mientras observamos la pantalla; la imagen se mueve de derecha a izquierda y viceversa mientras se corre el ajuste, pero permanece estable si no se mueve el preset de frecuencia horizontal. Esta falla se conoce como falta de fase horizontal.
Parecería que ya están explicados todos los casos posibles de funcionamiento de un CAFase, pero no es así. Aun falta el caso mas general que es cuando el pulso de sincronismo cae fuera del retrasado y la frecuencia libre esta corrida. A este problema se lo llama reenganche del horizontal y hay que analizarlo muy bien para entender como hace el TV para enganchar.
El CAFase corrige cuando el pulso de sincronismo cae dentro del periodo de retrazado. En nuestro caso significa sobre la pendiente descendiente del diente de sierra. Allí el CAFase tiende a enganchar cambiando la frecuencia con el signo correcto (patea a favor). Pero cuando el pulso de sincronismo cae en la pendiente ascendente el CAFase tiende a desenganchar cambiando la frecuencia con el signo incorrecto (patea en contra).
¿Por qué engancha entonces?
Porque la pendiente descendente es mayor que la pendiente ascendente y el por lo tanto el CAFase tiene mayor ganancia durante el retrazado que durante el trazado. La salida del CAFase no es una continua sino una alterna mientras el oscilador pasa de desenganchado a enganchado. Pero esa alterna tiene semiciclos con mayor valor medio durante el pasaje del pulso de sincronismo por la zona de retrazado que durante el pasaje por la zona de trazado. Es decir que realmente hay una corrección positiva que termina enganchando al sistema.
Dibujar el oscilograma de este caso es muy complicado por lo tanto lo dejamos hasta que tengamos un circuito de oscilador y CAFase simulado y podamos observar los oscilogramas de la simulación.
Inclusive el alumno ya debe estar imaginándose que el filtro anti hunting no es un filtro simple. En efecto son tantas las condiciones en que puede estar funcionando el sistema de CAFase que el filtro anti hunting consta por lo menos de dos capacitores y un resistor y cada componente, en caso de falla, genera su propio problema.
¿Se puede considerar que los pulsos de sincronismo son una muestra estable?
En la mayoría de los casos si, pero existen dos excepciones muy importantes.
- Una es cuando la señal incluye un ruido mayor al 20%, es decir señales débiles. El ruido no solo produce la clásica nieve sobre el video; también produce un bailoteo de la fase del pulso de sincronismo horizontal.
- Y el otro caso son los videograbadores clásicos que tienen una inestabilidad inherente del pulso de sincronismo en la parte superior de la pantalla sobre todo cuando las cabezas no están exactamente a 180º. En estos casos el filtro anti hunting debe tener una respuesta mas rápida y en el caso de la nieve una respuesta mas lenta.
Como las condiciones son contrapuestas la mayoría de los equipos tiene la posibilidad de cambiar las características del filtro anti hunting según los deseos del usuario mediante el control remoto o con una llave del frente del TV.
Conclusiones
La etapa horizontal es una de las que mas cambió desde los comienzos de la TV pero solo en su resolución particular; en su concepción siempre fue igual. Desde la época del Wells Gardner a válvulas hasta nuestros días siempre tubo un separador de sincronismos, un oscilador horizontal, un CAFase, una etapa driver y una etapa de salida horizontal con su consabido fly-back.
Ya conocíamos la historia del separador de sincronismos y la del separador del pulso H. Hoy terminamos de conocer la historia del oscilador horizontal y en la próxima lección vamos a conocer la historia del CAFase. Desde sus orígenes con un doble diodo valvular 6AL5 hasta nuestros días en que realmente no sabemos como funciona porque el fabricante solo indica las señales que debemos colocarle al jungla; algunos componentes o redes RC externas y nos indica como será el pulso de salida de excitación del driver.