¿Qué es una fuente de alimentación?
Una fuente de alimentación es un dispositivo eléctrico, convierte la corriente que proviene de la fuente de alimentación al valor de voltaje requerido por la carga, como por ejemplo un motor electrónico o un dispositivo electrónico.
Hay dos diseños principales de fuentes de alimentación: una fuente de alimentación lineal y una fuente de alimentación conmutada.
Lineal: Los diseños de fuentes de alimentación lineales utilizan un transformador para reducir el voltaje de entrada. Luego, el voltaje se rectifica a voltaje CC y luego se filtra para mejorar la calidad de la forma de onda.
Las fuentes de alimentación lineales utilizan reguladores lineales para mantener un voltaje constante en la salida. Estos reguladores lineales disipan cualquier energía adicional en forma de calor.
Traspuesta: El diseño de fuentes de alimentación conmutadas es un método relativamente nuevo. Está diseñado para resolver muchos problemas asociados con el diseño de fuentes de alimentación lineales, incluido el tamaño del transformador y la regulación de voltaje.
En los diseños de fuentes de alimentación conmutadas, el voltaje de entrada ya no se reduce. En cambio, está calibrado y filtrado en la entrada. Luego, el voltaje pasa por un interruptor que lo convierte en un tren de impulsos de alta frecuencia. Antes de que el voltaje llegue a la salida, se filtra y rectifica nuevamente.
Topología de la fuente de alimentación conmutada.
Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) tienen cuatro topologías, como convertidor AC-DC, convertidor DC-DC, convertidor Fly-back y convertidor Forward.
Convertidor CA-CC: En este tipo de SMPS, la potencia de entrada es CA y la potencia de salida es CC. Obtenemos suministro de CC. Se utilizan rectificadores y filtros para convertir esta corriente alterna en corriente continua.
Convertidor CC-CC: La potencia de entrada de esta fuente de alimentación proviene directamente de la alimentación de CC de alto voltaje.
Convertidor de retorno: Cualquier SMPS con una potencia de salida inferior a 100 W se denomina SMPS de convertidor flyback. En comparación con otros SMPS, el circuito de estos SMPS es simple y directo. Este tipo de SMPS se utiliza para bajo consumo de energía.
Convertidor directo: El diseño de este tipo de SMPS es casi idéntico al del convertidor SMS antichoque. En este SMPS, el interruptor está conectado a la salida del devanado secundario del transformador para control.
En comparación con los convertidores flyback, los circuitos de filtrado y corrección son más complejos. Estos SMPS, también conocidos como convertidores reductores CC-CC, también se utilizan para el escalado y aislamiento de transformadores.
¿Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada?
A lo largo de los años, las fuentes de alimentación lineales de CA/CC han desempeñado un papel crucial en la conversión de energía de CA de la red pública en voltaje de CC, satisfaciendo las necesidades energéticas de los electrodomésticos y la iluminación. Sin embargo, a medida que la tecnología avanzó, el panorama cambió, especialmente en aplicaciones de alta potencia. Las fuentes de alimentación lineales, conocidas por su bajo nivel de ruido, encontraron un nicho en aplicaciones industriales y médicas específicas. A pesar de sus ventajas, el predominio de las fuentes de alimentación conmutadas se hizo evidente debido a sutamaño más pequeño, mayor eficiencia y capacidad para manejar alta potencia. El proceso de conversión de energía normalmente implica tres etapas: rectificación de entrada, corrección del factor de potencia (PFC) y aislamiento. La Figura 1 proporciona una descripción general de la conversión general de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) en una fuente de alimentación conmutada.
Una fuente de alimentación conmutada, al ser una fuente de alimentación electrónica, incorpora un regulador de conmutación diseñado para una conversión eficiente de la electricidad. Al igual que otras fuentes de alimentación, las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) transfieren energía desde una fuente de CC o CA, normalmente la red eléctrica, a una carga de CC, como una computadora personal. Durante este proceso, las características de voltaje y corriente se ajustan simultáneamente para cumplir con los requisitos de carga.
En el ámbito de las fuentes de alimentación conmutadas, el transistor de paso sufre transiciones continuas entre estados de baja potencia, completamente encendido y completamente apagado. Este comportamiento dinámico minimiza el tiempo dedicado a transiciones altamente disipativas, lo que reduce efectivamente el desperdicio de energía. En un escenario ideal, una fuente de alimentación de modo conmutado no consume energía, lo que la convierte en una opción convincente para aplicaciones de eficiencia energética.
Rectificación de entrada
El proceso de rectificación implica la conversión de voltaje CA en voltaje CC. En el contexto de una fuente de alimentación CA/CC de modo conmutado, la etapa inicial es la rectificación de la señal de entrada. Si bien comúnmente se percibe que el voltaje CC se asemeja a una línea estable e inmutable similar a la producida por una batería, es crucial reconocer que la corriente continua (CC) se caracteriza por un flujo unidireccional de carga eléctrica. Esto implica que el voltaje fluye consistentemente en la misma dirección pero nono necesariamente permanece constante.
Para lograr la rectificación en el contexto de una fuente de alimentación de modo conmutado, se puede emplear un rectificador pasivo de medio puente para eliminar la mitad negativa de la onda sinusoidal a través de un diodo (consulte la Figura 2). El diodo permite que la corriente fluya durante la mitad positiva de la onda pero la bloquea cuando el flujo es en la dirección opuesta. Este control de flujo selectivo asegura la conversión de voltaje CA en voltaje CC más unidireccional, un paso fundamental en el funcionamiento de la fuente de alimentación.
Tras el proceso de rectificación, la onda sinusoidal resultante posee una potencia media baja, lo que la hace insuficiente para alimentar eficazmente el dispositivo. Para mejorar la eficiencia, un método alternativo implica alterar la polaridad de la media onda negativa, transformándola en una onda positiva. Esta técnica, conocida como rectificación de onda completa, se puede lograr con una configuración de puente que emplea cuatro diodos (consulte la Figura 3). La disposición estratégica de estos diodos garantiza una consistenciadirección de la corriente, independientemente de la polaridad del voltaje de entrada. Esta configuración contribuye a mantener un suministro de energía estable para el dispositivo.
Si bien la onda completamente rectificada produce un voltaje de salida promedio más alto en comparación con el del rectificador de medio puente, aún se desvía de la forma de onda de CC constante ideal necesaria para alimentar equipos electrónicos. A pesar de ser una forma de CC, su utilización para alimentar dispositivos es ineficiente debido a los cambios rápidos y frecuentes en el valor de la onda de voltaje. Esta fluctuación en el voltaje de CC, conocida como ondulación, plantea un desafío para un suministro de energía eficiente.
Para abordar este problema, el método más sencillo y ampliamente utilizado implica la integración de un condensador grande en la salida del rectificador, a menudo denominado condensador de almacenamiento o filtro suavizante (consulte la Figura 4).
Este condensador juega un papel fundamental en suavizar la forma de onda de voltaje al almacenar voltaje durante el pico de la onda y posteriormente suministrar corriente a la carga hasta que su voltaje cae por debajo de la onda de voltaje rectificada ascendente. La forma de onda resultante se aproxima mucho a la forma deseada, asemejándose a un voltaje de CC sin un componente de CA. Esta forma de onda de voltaje refinada se vuelve adecuada para alimentar dispositivos de CC.
La rectificación pasiva, que emplea diodos semiconductores como interruptores no controlados, es el método más sencillo para rectificar ondas de CA, pero se queda corto en términos de eficiencia.
Aunque los diodos sirven como interruptores relativamente eficientes, capaces de realizar transiciones rápidas de encendido y apagado con una mínima pérdida de energía, se ven obstaculizados por una caída de voltaje de polarización directa que oscila entre 0,5 V y 1 V, lo que contribuye a una eficiencia reducida.
La rectificación activa adopta un enfoque diferente al reemplazar los diodos con interruptores controlados, como MOSFET o transistores BJT (consulte la Figura 5). Este enfoque ofrece una doble ventaja: en primer lugar, los rectificadores basados en transistores eliminan la caída de voltaje fija de 0,5 V a 1 V característica de los diodos semiconductores, ya que su resistencia puede ser arbitrariamente pequeña, lo que resulta en una caída de voltaje significativamente reducida.
En segundo lugar, los transistores, que funcionan como interruptores controlados, permiten optimizar la frecuencia de conmutación, proporcionando flexibilidad. Sin embargo, esto tiene el coste de una mayor complejidad en los circuitos de control de los rectificadores activos, lo que implica componentes adicionales y los hace comparativamente más caros.
Corrección del factor de potencia
La segunda etapa del diseño de una fuente de alimentación conmutada es la corrección del factor de potencia.
Al observar la forma de onda de corriente del capacitor de almacenamiento del rectificador (consulte la Figura 6), se hace evidente que la corriente de carga atraviesa rápidamente el capacitor, particularmente cuando el voltaje de entrada del capacitor supera la carga máxima de la señal rectificada. Este rápido proceso de carga genera una serie de breves picos de corriente en el condensador, lo que plantea no sólo desafíos para el suministro de energía sino también problemas para toda la red. Los abruptos picos de corriente introducen unun número significativo de armónicos en la red, lo que genera distorsiones que pueden afectar negativamente a otras fuentes de alimentación y equipos conectados a la red.
En el ámbito de los diseños de fuentes de alimentación conmutadas, el circuito de corrección del factor de potencia tiene como objetivo mitigar estos armónicos filtrándolos de manera efectiva. Existen dos opciones principales para lograr esto: corrección activa del factor de potencia y corrección pasiva del factor de potencia.
La corrección pasiva del factor de potencia implica la incorporación de filtros pasivos de paso bajo diseñados para eliminar los armónicos de alta frecuencia. Sin embargo, las fuentes de alimentación que dependen únicamente de PFC pasivos, particularmente en aplicaciones de alta potencia, tienen dificultades para cumplir con las regulaciones internacionales sobre ruido armónico. Como alternativa, se hace necesaria una corrección de la potencia activa.
La corrección activa del factor de potencia funciona remodelando la forma de onda de corriente para alinearla con la forma de onda de voltaje. Este ajuste reubica los armónicos a frecuencias más altas, facilitando su más fácil filtración. En tales escenarios, el convertidor elevador, también conocido como convertidor elevador, surge como el circuito ampliamente utilizado para la corrección efectiva del factor de potencia activa.
Aislamiento: fuentes de alimentación conmutadas aisladas versus no aisladas
Con la rectificación de la forma de onda de CA de entrada en el extremo de entrada, el voltaje de CC de salida resultante se vuelve notablemente elevado. En ausencia de corrección del factor de potencia (PFC), el rectificador produce una salida de aproximadamente 320 V. Sin embargo, la introducción de un circuito PFC activo transforma la salida del convertidor elevador en un voltaje de CC estable que alcanza los 400 V o más.
Ambos escenarios, caracterizados por voltajes de CC excesivamente altos, plantean riesgos importantes y resultan poco prácticos para la mayoría de las aplicaciones que normalmente exigen niveles de voltaje mucho más bajos. La Tabla 1 describe varios aspectos relacionados con los convertidores y las aplicaciones que merecen consideración al seleccionar la topología de aislamiento adecuada. Esta descripción general integral ayuda a tomar decisiones informadas basadas en requisitos específicos y consideraciones de seguridad.
Ventajas de cambiar la fuente de alimentación
El uso de cualquier tecnología suele ser un cuidadoso equilibrio entre varias ventajas y desventajas. Esto es cierto para las fuentes de alimentación de modo conmutado que ofrecen algunas ventajas claras pero también tienen sus inconvenientes.
Ventajas del SMPS
Alta eficiencia: Una acción de interruptor significa que el elemento regulador en serie está encendido o apagado. Por lo tanto, se desprende muy poca energía en forma de calor y se pueden alcanzar niveles muy altos de eficiencia.
Compacto: Debido a la alta eficiencia y el bajo nivel de disipación de calor, las fuentes de alimentación de modo conmutado pueden hacerse más compactas.
Costos: Una de las cosas que hace que la energía de conmutación sea muy atractiva es el costo. La mayor eficiencia y características de conmutación del diseño significan que se requiere menos calor que una fuente de alimentación lineal, lo que resulta en menores costos. Con el tiempo, la naturaleza conmutable de la fuente de alimentación significa que muchos componentes cuestan menos.
Tecnología flexible: La tecnología de fuente de alimentación conmutada se puede utilizar para proporcionar conversiones de voltaje de alta eficiencia en aplicaciones de aumento o “impulso” de voltaje o aplicaciones “reductoras” de reducción.
En general, las fuentes de alimentación conmutadas son ideales para una serie de aplicaciones, desde computadoras hasta cargadores, y desde equipos de laboratorio hasta muchos dispositivos electrónicos domésticos. El costo, el tamaño y la eficiencia son factores clave para garantizar que se conviertan en una tecnología importante para muchas aplicaciones.
Aplicaciones de SMPS:
Durante muchos años, las fuentes de alimentación lineales de CA/CC han convertido la corriente alterna de la red pública en voltaje de CC, y se utilizan para hacer funcionar electrodomésticos o iluminación. Las aplicaciones de alta potencia requieren fuentes de alimentación más pequeñas.
Esto significa que las fuentes de alimentación lineales han quedado relegadas a usos industriales y médicos específicos. Debido a su bajo nivel de ruido, todavía son necesarios en estos usos. Pero las fuentes de alimentación conmutadas han tomado la delantera porque son más pequeñas, más eficientes y capaces de manejar alta potencia.
Las fuentes de alimentación conmutadas tienen muchas aplicaciones, como computadoras, que son las de uso más común, sistemas de seguridad, sistemas ferroviarios, cargadores de baterías e industrias de máquinas herramienta.
La fuente de alimentación conmutada se utiliza ampliamente en sentido descendente. Recientemente, la fuente de alimentación conmutada se ha vuelto cada vez más importante en la industria LED, equipos médicos, cargadores de teléfonos móviles, automóviles, electrónica de consumo y otros campos.
A nivel mundial, el mercado de fuentes de alimentación conmutadas está impulsado principalmente por la creciente demanda de productos electrónicos de consumo, que representó casi 52% del consumo total de fuentes de alimentación CONMUTADA.
Resumen
Hay muchos aspectos diferentes a considerar al diseñar una fuente de alimentación conmutada, especialmente los relacionados con la seguridad, el rendimiento, el tamaño, el peso, etc. Las fuentes de alimentación conmutadas también tienen circuitos de control más complejos que las fuentes de alimentación lineales, por lo que a muchos diseñadores les resulta útil implementar módulos integrados en sus fuentes de alimentación.
WEHO ofrece una amplia variedad de módulos que pueden simplificar el diseño de la fuente de alimentación conmutada, como la fuente de alimentación de riel Din NDR EDR, la fuente de alimentación tipo LRS Slim, la unidad LED impermeable LPV IP67, el convertidor CC-CC, etc.
