Creo que estarás de acuerdo conmigo si digo que, para la subsistencia de un ser humano, después del aire, lo más importante es el agua y la comida; es decir, si no nos alimentamos, pronto la pasaremos muy mal.
Ahora bien, ¿qué es lo más imprescindible para que tu teléfono inteligente, tu ordenador, tu videojuego o tu motor paso a paso funcione correctamente? Pues es su fuente de alimentación. Si su funcionamiento no es el correcto ninguno de estos equipos cumplirá el propósito para el que fue diseñado.
En este artículo vamos a detallar el funcionamiento de las fuentes de alimentación, pero nos enfocaremos especialmente en las AC/DC ya que son las que más utilizamos.
Este artículo será un pasito mas en tus conocimientos tecnológicos. Así que ponte cómodo y empecemos.
Indice de contenidos
- 1 Introducción a las fuentes de alimentación
- 2 ¿Qué es una fuente de alimentación?
- 3 Tipos de fuente de alimentación
- 4 Fuente de alimentación lineal
- 5 Fuente de alimentación conmutada
- 6 Convertidores
- 7 Ejemplo práctico: fuente de alimentación para un proyecto con Arduino
- 8 Conclusiones sobre fuentes de alimentación
Introducción a las fuentes de alimentación
Existen dos tipos de tensión eléctrica necesarias para que los diferentes equipos eléctricos o electrónicos que tenemos en nuestro hogar funcionen correctamente. Son el voltaje de corriente directa (V DC) o tensión continua y el voltaje de corriente alterna (V AC) o tensión alterna.
La tensión continua, como la generada por pilas y baterías, permanece constante a lo largo del tiempo. Una pila o una batería tiene su borne positivo y su borne negativo y así permanecen hasta que se agoten. Si son recargables podemos reutilizarlas nuevamente. La corriente que genera es constante a lo largo del tiempo.
La tensión alterna, como la que encontramos en un tomacorriente o en una extensión eléctrica, alterna o cambia sus terminales de positivo a negativo 50 o 60 veces por segundo (Hertz). La corriente que genera, varia en forma senoidal a lo largo del tiempo.
Un equipo eléctrico o electrónico necesita para funcionar ya sea tensión alterna o tensión continua, así que una fuente de alimentación puede proveer una de esas dos tensiones.
¿Qué es una fuente de alimentación?
Una fuente de alimentación, o PSU (Del inglés Power Supply Unit) es un circuito eléctrico o electrónico que tiene como función proveer tensión alterna o tensión directa para alimentar a los equipos eléctricos y electrónicos.
Sea cual sea el proyecto tecnológico que estemos desarrollando la elección de una buena fuente de alimentación es crítico. Si fallamos al escogerla puede dar al traste con nuestro proyecto, así que presta atención a las características que iremos analizando a lo largo del artículo.
Algunas consideraciones que debemos tener en cuenta son las siguientes.
- Necesitamos tensión AC o DC para nuestro proyecto
- Nivel de tensión o voltaje necesario
- Hay necesidad de tensión estabilizada o se permite ligeras variaciones en el voltaje
- Se necesita uno o varios voltajes diferentes de nuestra fuente
- Importancia del ruido generado por la fuente de alimentación
- Potencia requerida por la carga eléctrica que vamos a utilizar
- Intensidad de corriente máxima que necesitaremos
- Protección que deseamos en la fuente de alimentación
- Se desea una luz piloto para indicar el encendido de la fuente
- Se necesita visualizar el nivel de tensión entregado por la fuente de alimentación
- El tamaño físico o espacio ocupado por la fuente de tensión interesa o no
Existen otras consideraciones, pero las listadas aquí pueden ser las más importantes.
Veamos ahora con qué tipo de fuentes de alimentación podemos encontrarnos cuando trabajamos con nuestros proyectos.
Tipos de fuente de alimentación
Consideremos los tipos de fuentes de alimentación y posteriormente detallaremos la AC/DC que es la más utilizada y merece un análisis detallado.
a. Fuentes de alimentación AC/AC
Sin saberlo es una de las más utilizadas por nosotros ya que en nuestros hogares utilizamos muchos electrodomésticos y equipos eléctricos y electrónicos que debemos conectar a la toma de corriente de la red eléctrica domiciliaria.
En una toma de corriente habrá 110 o 220 V AC que llegan desde un transformador que está ubicado en las proximidades de nuestra casa y trae alta tensión desde una subestación que distribuye la energía eléctrica.
También existen fuentes de alimentación AC/AC muy parecidas a las fuentes AC/DC. Hay que fijarse bien en la descripción del fabricante ya que la tensión de salida es AC. En su interior hay un transformador reductor que toma los 110 o 220 V AC y los reduce a unos 12 V AC.
b. Fuente de alimentación AC/DC
Es la más utilizada. Consiste en un circuito eléctrico o electrónico que tiene como función transformar la corriente alterna (CA) en corriente directa (CD) que es el tipo de tensión que necesitan todos los equipos electrónicos.
Puede tomar muchas formas y tener varios nombres. En la imagen superior observamos una fuente de alimentación o fuente de poder de ordenador.
c. Fuente de alimentación DC/AC
A veces se necesita convertir una tensión DC en AC, por ejemplo, en instalaciones que aprovechan la energía solar.
Este tipo de fuentes de alimentación se conocen también con el nombre de inversores.
d. Fuente de alimentación DC/DC
Cuando tenemos una tensión continua y por alguna razón necesitamos aumentarla o disminuirla, podemos hacerlo mediante un convertidor de tensión DC/DC. Este es un circuito electrónico que nos permite aumentar o disminuir la tensión directa a valores fijos o variables.
A continuación, vamos a analizar las fuentes de alimentación AC/DC que son las que cualquier equipo electrónico necesita para funcionar correctamente.
Fuente de alimentación lineal
La fuente de alimentación lineal es la más antigua y sencilla de construir. Por mucho tiempo se utilizó en todo tipo de equipos electrónicos, aunque ha caído en desuso debido al auge y el abaratamiento en el costo de fabricación de las fuentes conmutadas.
La fuente de alimentación lineal pertenece al grupo de fuentes AC/DC y se usa el siguiente símbolo para identificarla.
La finalidad de la fuente de alimentación lineal es transformar la tensión alterna en tensión directa.
Ventajas de una fuente de alimentación lineal
- Es económica
- Los componentes son fáciles de conseguir
- Genera poco ruido eléctrico
Desventajas de una fuente de alimentación lineal
- Al trabajar directamente con la frecuencia de la red, sus componentes son grandes
- Es poco eficiente
- Ocupa mucho espacio
- Es pesada
La eficiencia de una fuente de alimentación se refiere a su capacidad de entregar la potencia a la carga eléctrica. La fuente de alimentación lineal en los mejores casos tendrá una eficiencia de un 60%.
Partes de una fuente de alimentación lineal
Podemos decir que hay cuatro partes o etapas bien definidas en una fuente de alimentación lineal: transformación, rectificación, filtraje y regulación.
Notarás en el diagrama de bloques de la fuente de alimentación lineal que hay dos bloques de color amarillo y dos bloques de color verde.
La transformación y la regulación son bloques opcionales en una fuente de alimentación lineal.
La rectificación y el filtraje son bloques obligatorios, siempre deben estar presentes para que la transformación de corriente alterna a corriente directa esté completa.
¿Cómo funcionan las fuentes de alimentación lineales?
Vamos a analizar cada una de las partes del diagrama de bloques de una fuente de alimentación lineal.
- Transformación
Si se necesita una tensión directa alta se puede pasar directamente al bloque de rectificación, pero si se desea obtener una salida de tensión directa baja, hay que reducir la tensión alterna de la red eléctrica domiciliaria.
Se puede hacer con un condensador, pero es mejor opción utilizar el transformador.
El transformador es una máquina estática y reversible que permite elevar o disminuir la tensión eléctrica alterna.
El principio de funcionamiento del transformador es la inducción electromagnética, es decir que un medio conductor como un alambre o una bobina (alambre enrollado) desarrolla una tensión cuando es atravesado por un campo magnético variable.
Seguro recuerdas que un imán genera en su entorno un campo magnético.
Si enrollamos un alambre esmaltado formaremos una bobina eléctrica.
Ahora bien, si movemos un imán junto a la bobina, se inducirá en esta una corriente eléctrica cuya magnitud depende del número de vueltas de la bobina, del campo magnético del imán y de la velocidad con que se mueva (ley de Faraday).
Así mismo, si pasa una corriente eléctrica por la bobina, esta generará un campo magnético a su alrededor. Si es una corriente continua generada por una pila, el campo magnético en la bobina será fijo como si fuera un imán.
Para concentrar el campo magnético de la bobina se le coloca un núcleo ferromagnético.
Si se hace pasar corriente alterna a la bobina el campo magnético será variable también y se podrá inducir en otra bobina que esté colocada dentro de la influencia de este campo, obtendremos el efecto transformador.
En la fuente de alimentación lineal la tensión de la red eléctrica, supongamos 120 V AC, es aplicada a la bobina primaria (Vp), que es la que recibe la tensión de entrada y cuya bobina tiene un número de vueltas (N1), el flujo magnético generado es conducido por el núcleo a la bobina secundaria donde se induce una tensión alterna de 12 V AC (VS) y cuya bobina tiene un número de vueltas (N2).
Relación de transformación
En un transformador ideal se cumple la siguiente relación.
Veamos un ejemplo.
Vamos a suponer que nuestro transformador posee 1000 espiras o vueltas en la bobina primaria (N1) y 100 espiras en la bobina secundaria (N2).
Si aplicamos 220 V AC en la bobina primaria ¿qué tensión obtendremos en la bobina secundaria?
Despejemos en la fórmula Vs.
Teóricamente obtendríamos 22 V AC en el secundario, pero debido a algunos factores tales como las pérdidas en el núcleo del transformador, las pérdidas en los devanados de cobre de las bobinas, entre otras, la tensión de salida será un poco menor.
Según la tensión de salida en el transformador, podemos obtener una tensión superior, igual o inferior al voltaje de entrada. Nos interesa especialmente en las fuentes de alimentación lineales una tensión de salida inferior a la entrada, es decir un transformador reductor.
Veamos las ventajas de usar un transformador en una fuente de alimentación lineal.
- Aislamiento eléctrico
Ya que el devanado primario y secundario no tienen conexión física, al ser de cobre esmaltado, la tensión de entrada corresponde a un circuito eléctrico diferente a la tensión de salida. Algo que no sucede con una entrada con condensador.
- Facilidad de elevar o reducir la tensión de entrada
Variando la relación de espiras del primario y el secundario se obtiene la tensión deseada.
- Alta corriente en el secundario
Como el transformador conserva la potencia si la tensión de salida se eleva, su corriente disminuye y viceversa.
Como la mayoría de transformadores que usamos en fuentes de alimentación lineales son reductores de tensión, significa que en el devanado secundario obtenemos mayor corriente que en la bobina primaria.
Nada es perfecto en la vida, listemos las desventajas del transformador.
- Gran volumen
- Peso
- Alto costo
Estas desventajas del transformador se trasladan a la fuente de alimentación lineal.
Vamos con el segundo bloque, la rectificación.
- Rectificación
Ya se ha reducido la tensión alterna de entrada, pero sigue siendo alterna y la finalidad de la fuente de alimentación es convertir la tensión AC de entrada en DC a la salida; precisamente esta es la función del bloque de rectificación.
El dispositivo ideal para realizar esta función es el diodo rectificador. Aquí vemos su forma física y su símbolo gráfico.
El diodo posee dos terminales el ánodo (A) y el cátodo (K o C).
Un diodo es un componente que permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido y presenta dos formas de funcionamiento.
Polarización directa
Se produce cuando la tensión positiva se conecta en el ánodo y la negativa en el cátodo. El diodo polarizado directamente se comporta como un interruptor cerrado.
Tengamos en cuenta que cada diodo produce una caída de tensión de 0.7 V aproximadamente que se restan de la fuente de tensión que lo alimenta.
Polarización inversa
Aquí la tensión positiva se aplica al cátodo y la tensión negativa al ánodo. El diodo en este caso se comporta como un interruptor abierto.
En este caso toda la tensión de la fuente aparecerá en los extremos del diodo.
Este comportamiento según la polarización hace al diodo el componente ideal para convertir la tensión alterna en directa.
La rectificación más sencilla se puede realizar con un solo diodo.
Rectificación de media onda
Tomemos como ejemplo una tensión de 120 V AC a 60 Hz y un transformador reductor con una relación de transformación de 10:1, entran 120 V salen 12 V.
Te preguntarás de inmediato ¿qué le ha pasado a más de la mitad de la tensión del secundario del transformador?
Como recordarás el diodo solo conduce cuando su ánodo es positivo respecto al cátodo, eso provoca que se bloquee el 50% de la tensión alterna de entrada. A esto se suma los 0.7 V que el diodo toma para conducir. Por cada ciclo completo de entrada saldrá un semiciclo positivo del rectificador, es decir 60 en un segundo ya que hay 60 ciclos por segundo en la corriente alterna domiciliaria (60 Hz).
Debido a esta pérdida de tensión, se utiliza la rectificación de onda completa tipo puente.
Rectificador de onda completa tipo puente
Aquí se utilizan cuatro diodos rectificadores en configuración puente.
En el puente rectificador notamos que la tensión alterna de entrada se aplica en la unión de un ánodo y un cátodo, que la tensión de salida positiva se toma de la unión de los cátodos y la tensión de salida negativa de la unión de los ánodos.
Se puede armar el puente rectificador con 4 diodos rectificadores o comprar el puente rectificador con los diodos encapsulados.
El funcionamiento del rectificador de onda completa tipo puente se basa en la conducción de dos diodos alternativamente, nunca funcionan los cuatro diodos al mismo tiempo. La figura inferior muestra una fuente de alimentación lineal con rectificación de onda completa tipo puente.
Notarás que ahora la reducción en la tensión DC respecto a la AC es de unos 2 V aproximadamente ya que conducen dos diodos del puente al mismo tiempo.
Analicemos el funcionamiento del puente rectificador.
Inicialmente conducen los diodos D1 y D4 por encontrarse directamente polarizados, D2 y D3 se comportarán como interruptores abiertos por encontrarse inversamente polarizados.
Cuando se invierta la fase sucederá lo contrario, ahora conducen D2 y D3 y D1 y D4 no conducen.
Por cada ciclo completo a la entrada de la red saldrán dos semiciclos positivos de la rectificación de onda completa, es decir 120 en un segundo. Por eso es más eficiente este tipo de rectificación.
Existen otras formas de rectificar la corriente alterna, pero las dos que hemos visto son muy utilizadas y además permiten su uso con o sin transformador.
Ahora la tensión de salida es mayor, sin embargo y aunque ya es una tensión directa, todavía está lejos de ser la tensión continua que ofrece una pila o batería. Para aplanar esta señal pulsante no hay nada mejor que un condensador.
- Filtraje
Un condensador es un dispositivo pasivo capaz de acumular energía eléctrica. Existen polarizados (+ y -) y sin polaridad. Su unidad de medida es el Faradio, pero al ser una unidad de medida grande se usa fracciones de la misma, mili Faradios (mF), micro Faradios (µF), nano Faradios (nF) o pico Faradios (pF).
En la imagen inferior vemos el condensador no polarizado C1 y el condensador electrolítico polarizado C2 junto a sus respectivos símbolos gráficos.
Un condensador consiste en un par de placas metálicas enfrentadas y separadas generalmente por un material aislante y dieléctrico o por aire.
Analicemos su comportamiento. En la imagen inferior hay un circuito eléctrico con una batería de 10 V y con dos interruptores abiertos. Inicialmente ni el condensador ni la resistencia de carga (R) tienen tensión.
Si se cierra el interruptor S1, pero se deja abierto S2, se le aplicará tensión al condensador C y se cargarán sus placas a la tensión de la batería, en este caso 10 V.
Si abrimos de nuevo S1 y mantenemos abierto C2, el condensador C no tendrá un camino para descargarse y tratará de mantener la tensión en sus placas.
Finalmente, si se cierra el interruptor S2, el condensador se descargará a través de la resistencia.
Ten en cuenta que los valores utilizados no son totalmente reales ya que el condensador no alcanzará a cargarse al 100% de la tensión de la fuente, pero debe quedar clara la idea de la carga y la descarga del condensador.
Mientras más alto sea el valor en ohmios de la resistencia (R) y la capacidad del condensador (C), más tiempo se demorará la descarga del mismo.
Un condensador de gran capacidad y tensión elevada puede guardar su carga eléctrica por un tiempo considerable y es mejor descargarlos por medio de una resistencia colocada entre sus terminales.
Veamos ahora el diagrama esquemático de la fuente de alimentación lineal con condensador.
Ya está lista para su uso nuestra fuente de alimentación lineal, pero ya no tenemos un máximo de 10 V ahora son 15.5 V ¿qué pasó?
Resulta que cuando realizamos una medición en tensión alterna, el multímetro, polímetro o tester , que es nuestro instrumento de medición en electrónica, toma un valor llamado raíz media cuadrática o RMS (del inglés, Root Mean Square), esta es una medida estadística de una magnitud variable como lo es la tensión alterna que a lo largo del tiempo varia continuamente en forma senoidal entre valores positivos y negativos, pero el condensador se carga al voltaje pico o máximo de la fuente que lo alimenta.
Para calcular el voltaje pico de una onda senoidal utilizamos la siguiente fórmula.
En nuestro caso la tensión RMS que teníamos en el puente secundario del transformador era de 12 V, por tanto
Pero, como la caída de tensión en los dos diodos es de 1.4 V
La etapa de filtraje hace que los pulsos positivos de la rectificación se aplanen bastante, pero no del todo. Las pequeñas fluctuaciones que permanecen se llaman tensión de rizado (ripple).
Para minimizar el rizado la etapa de filtraje puede contener otros condensadores y bobinas.
Otra forma de minimizar el rizado es utilizar después del filtraje la regulación.
Fuentes de alimentación regulada y no regulada
En este punto puede terminar la fuente de alimentación lineal ya que hemos obtenido tensión continua, pero tiene un gran inconveniente ya que el nivel de la tensión de salida va a tener fuertes variaciones dependiendo del consumo de corriente que exija la carga, mientras más corriente consuma menos tensión entregará la fuente de alimentación lineal y viceversa.
Las fuentes de alimentación que no tienen el bloque de regulación se llaman lineales no reguladas.
Hay ciertos circuitos electrónicos que pueden funcionar así perfectamente, otros necesitan que la tensión de la fuente no tenga mayores fluctuaciones en su salida, en este caso debe estar el bloque de regulación y la fuente de alimentación lineal será regulada.
- Regulación con salida de tensión fija
El bloque de regulación, al igual que la transformación, no es obligatorio para la fuente de alimentación lineal y se coloca si se desea una tensión muy estable sin importar el consumo de corriente de la carga, hasta ciertos límites.
Algunas tarjetas electrónicas como Arduino, necesitan una alimentación de 5 voltios muy estables. En este caso debemos utilizar una fuente de alimentación lineal regulada.
La regulación de tensión se puede lograr de varias formas, nos interesa aquí la regulación con diodo Zener y con circuito integrado.
Regulación con diodo Zener
El diodo Zener tiene dos terminales llamadas ánodo y cátodo. En la figura inferior se muestra su forma física y su símbolo esquemático.
El Zener es un diodo de silicio que trabaja con polarización inversa (positivo al cátodo y negativo al ánodo) y funciona en la zona de ruptura. En esta zona el diodo Zener trata de mantener estable la tensión en sus terminales.
Se construyen diodos Zener de diversas tensiones y potencias, por ejemplo 5.1 V a 1 W.
El esquema eléctrico para su montaje es el siguiente.
Se deben realizar algunos cálculos para determinar el valor de la resistencia R y su potencia. Sin embargo, el hecho de que el diodo Zener trabaje en paralelo con la carga hace que el consumo de potencia sea permanente.
Una mejor opción es un circuito integrado regulador que nos facilita el trabajo ya que trae internamente todo lo necesario para regular la tensión y trabaja en serie con la carga, por tanto, solo consume cuando la carga lo exige, siendo una ventaja energética con respecto al diodo Zener.
Regulador con circuito integrado
Una de los circuitos integrados más conocidos para la regulación de tensión positiva es el LM78XX.
En la figura inferior observamos la forma física y la organización de los pines (pinout) del circuito integrado LM7805 y a la derecha el símbolo esquemático.
La doble equis (XX) representa la tensión que necesitamos, por ejemplo, para una fuente lineal estabilizada de 5 V usaremos un LM7805, si necesitamos 12 V usaremos un LM7812.
La tensión de entrada debe ser al menos unos 2 voltios superior a la que deseamos obtener a la salida regulada, es decir para un LM7805 al menos debemos aplicar en su entrada unos 7 voltios.
Lo ideal es usar un disipador de calor y así obtener la corriente máxima que puede entregar el regulador evitando el exceso de calor en el circuito integrado.
Un LM7812 puede soportar hasta 1 amperio, un LM78L12 solo 0.1 A y un LM78T12 hasta 3 A. Debemos buscar la hoja de datos (datasheet) del regulador que vamos a usar.
Observemos el diagrama esquemático básico de una fuente de alimentación lineal regulada fija con un LM7805.
Creo que ya puedes reconocer las diferentes etapas que la conforman. Notarás el condensador polarizado de filtraje C1 y además otro condensador C2 a la salida del regulador LM7805, este último es para mejorar la estabilidad de la tensión y la respuesta transitoria del regulador ante fluctuaciones rápidas de la resistencia de carga (RL).
- Regulación con salida de tensión ajustable
Una de las ventajas de usar un regulador integrado es que podemos implementar una fuente de alimentación regulada ajustable, es decir que podemos variar con un potenciómetro la tensión de salida.
Indudablemente el rey de los circuitos integrados reguladores de tensión lineales ajustables es el LM317, debido a su sencillez y a que necesita muy pocos componentes adicionales, ha sido muy utilizado a lo largo del tiempo. En la imagen inferior observamos su diagrama de pines (pinout).
Como en todos los circuitos integrados, hay que prestar especial atención a la colocación de los pines ya que el diagrama esquemático, que en la imagen está a la derecha, se representa en una forma que sea fácil de entender, con la entrada a la izquierda y la salida a la derecha, pero la forma física representada a la izquierda, es la forma real como están dispuestas las terminales del circuito integrado.
Veamos ahora el diagrama esquemático básico de una fuente de alimentación lineal regulada ajustable con un LM317.
El circuito mostrado es básico y puede ser mejorado, pero es completamente funcional. Vamos a hacer algunas aclaraciones respecto al mismo.
En primer lugar, el regulador LM317 puede soportar una tensión de entrada hasta unos 40 V y de esta manera ajustar la tensión de salida desde 1.2 hasta 37 V aproximadamente.
La corriente máxima que puede entregar el LM317 utilizando disipador de calor es de 1.5 A.
En nuestro ejemplo hemos utilizado la misma fuente de alimentación lineal no regulada de unos 15 V que hemos trabajado hasta ahora, por tanto, solo podemos obtener una salida ajustable hasta unos 13 V. Pero con los valores obtenidos desde 1.2 hasta 13 V podemos alimentar muchos equipos o circuitos electrónicos.
Fuentes de alimentación simétricas
Para finalizar esta parte del artículo no olvidemos que solo analizamos la fuente de alimentación positiva, pero también hay fuentes negativas. Tanto la fuente de alimentación positiva como la negativa son llamadas asimétricas.
Otro tipo muy usado de fuentes de alimentación son las dobles o duales que entregan tensiones tanto positivas como negativas con un punto común o tierra, son fuentes de alimentación simétricas.
Este tipo de fuentes de alimentación simétricas también pueden ser fijas o ajustables y son necesarias para polarizar algunos amplificadores operacionales, amplificadores de audiofrecuencia o amplificadores de instrumentación, entre otros.
Fuente de alimentación conmutada
Como has podido comprobar, una fuente de alimentación lineal puede implementarse con muy pocos componentes y es relativamente fácil de entender su funcionamiento, pero sus inconvenientes de tamaño, peso, baja eficiencia, entre otros, ha hecho que otro tipo de fuente de alimentación llamada conmutada, SMPS (Switching Mode Power Supply), sea la de mayor uso en la actualidad.
Vamos a mostrar las ventajas de usar una fuente de alimentación conmutada.
- Por trabajar con altas frecuencias sus componentes son pequeños
- Es liviana, ya que no necesita transformador en la línea de entrada, que es un componente pesado y voluminoso.
- Tiene una alta eficiencia, entre un 68 y un 90%.
- Fácilmente puede ser un reductor, elevador o inversor de tensión.
- Menor disipación de calor.
Veamos ahora las desventajas de una fuente de alimentación conmutada.
- Su diseño es mucho más complejo que el de una fuente de alimentación lineal.
- El nivel de ruido electromagnético generado es alto y por eso necesitan más filtros.
- La respuesta transitoria a las variaciones en la carga eléctrica es lenta.
- La reparación de una fuente de alimentación conmutada es más compleja que una lineal.
¿Cómo funcionan las fuentes de alimentación conmutadas?
Para un análisis exhaustivo del funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada necesitaríamos unos dos o tres artículos más, así que vamos a hacer solamente una descripción de cada uno de los bloques del diagrama de la misma, que te permita una visión general de su funcionamiento.
Ten presente este diagrama cuando describamos el funcionamiento de cada uno de sus bloques.
- Filtro EMC
Se denomina filtro EMC o de compatibilidad electromagnética (del inglés Electromagnetic Compatibility), a un circuito que elimina, disminuye y previene los efectos que produce el acoplamiento de cualquier equipo electrónico con su entorno y que puede causar interferencias.
El filtro EMC se construye bajo ciertas normas para garantizar la confiabilidad de que no generará interferencias o perturbaciones que afecten otros equipos electrónicos que se encuentren cercanos ni se verá afectado por aquellos.
Generalmente consta de bobinas toroidales en serie y condensadores en paralelo con las líneas de alimentación, actuando como filtro pasa bajos, es decir que deja pasar las señales de baja frecuencia y elimina las de alta frecuencia como los ruidos eléctricos.
Generalmente las bobinas de esta sección son toroidales y las más grandes de la fuente de alimentación conmutada.
- Rectificador
Esta sección de la fuente de alimentación ya la conoces, solo te diré que al no tener transformador reductor de línea se generan tensiones peligrosas y debes tener mucha precaución.
- PFC
La corrección del factor de potencia, PFC (por sus siglas en inglés, Power Factor Correction) trata de corregir el fenómeno de que la fuente de alimentación no es capaz de aprovechar toda la potencia tomada de la red eléctrica. Esto se produce ya que la tensión y la corriente no se encuentran en fase.
A la relación entre la potencia real entregada de la toma de corriente y la potencia que es capaz de aprovechar la fuente de alimentación se denomina factor de potencia y puede tomar valores entre 0 y 1. Si no se usa PFC el factor de potencia es de 0.65.
Las fuentes conmutadas utilizan PFC pasivos, con bobinas y condensadores, logrando valores de corrección de un 0.85 y PFC activos, con circuitos integrados y transistores MOSFET, llegando hasta un 0.99 de corrección.
- Filtraje
Ya conoces la función del filtraje, pero aquí hay una tensión muy peligrosa. Con un voltaje de entrada de 220 V AC, la tensión en el condensador de filtraje puede llegar a ser de más de 300 V DC.
- Tierra primaria
En las fuentes de alimentación conmutadas se suele separar la tierra o negativo del primario del transformador de conmutación de la tierra del secundario del mismo.
En la tierra del primario del transformador de conmutación se manejan tensiones altas que pueden ser peligrosas, hay que tomar las precauciones necesarias.
Hay que tener en cuenta los dos puntos diferentes de tierra cuando se tomen mediciones con el multímetro ya que el punto de referencia (GND) debe ser colocado en la tierra que corresponda.
- Transistor SW
Este transistor, generalmente de tecnología MOSFET, es el encargado de actuar como conmutador (interruptor o switch) de alta frecuencia.
Por medio de pulsos recibidos en su compuerta (gate) desde el controlador, es capaz de conmutar a una alta frecuencia del orden de los 100000 HZ, inaudible por el oído humano.
El transistor trabaja en saturación (cerrado) y corte (abierto), permitiendo o no el paso de la corriente eléctrica entre la fuente (source) y el drenaje (drain). De esta forma ya no será una corriente directa sino pulsante y podrá aplicarse al transformador.
El tiempo que el transistor de conmutación permanece abierto o cerrado depende de la anchura del pulso que recibe la compuerta del circuito controlador.
- Transformador
Este transformador es especial para altas frecuencias, de pocas espiras. Su núcleo es de ferrita y no de láminas de hierro como el transformador de línea de una fuente de alimentación lineal.
Es llamado transformador de pulsos o más comúnmente chopper.
Este transformador recibe los pulsos del transistor de conmutación y los induce en sus bobinas secundarias.
El transformador chopper, es uno de los componentes críticos de una fuente de alimentación conmutada y si se daña no puede ser cambiado por otro transformador que no sea de las mismas características, ya que casi siempre son únicos para esa fuente de alimentación.
- Rectificador
Aquí se maneja la rectificación de los pulsos del chopper con diodos de alta frecuencia o Schottky.
- Filtraje
Ya conoces su función, solo que debido a la alta frecuencia de los pulsos rectificados la capacidad de los condensadores es menor y por tanto su tamaño físico también.
Asimismo, se utilizan bobinas en serie para complementar el filtraje de los condensadores en paralelo con la tensión.
Con este filtro pasa bajo quedará eliminada la alta frecuencia de la conmutación y el rizado (ripple) será mínimo.
- Tierra secundaria
Es la tierra del secundario del transformador de conmutación.
En esta parte del circuito se manejan tensiones de bajo valor.
- DC OUT
Esta es la salida de tensión de la fuente de alimentación conmutada, observarás que no hay un bloque que se llame regulación, pero también se necesita compensar los diferentes consumos de corriente máximos y mínimos de la carga.
Para mantener la tensión de salida estable se realiza una retroalimentación (feedback) negativa opto acoplada que verifica el consumo de la carga y así modificar el funcionamiento del transistor conmutador.
- Referencia
En la imagen inferior vemos el símbolo gráfico de un comparador de error. Así designamos a un conjunto de componentes encargados de monitorear la salida de tensión de una fuente de alimentación conmutada.
Este circuito se puede realizar con un transistor, diodo Zener y resistencias o con circuito integrado.
Una muestra de la tensión de salida se compara con un voltaje de referencia para determinar si la tensión de la fuente de alimentación conmutada ha aumentado o disminuido, esta señal se acopla al controlador por medio de un optoacoplador.
- Optoacoplador
Un optoacoplador es un dispositivo que funciona como un interruptor activado por luz.
Podemos distinguir en su símbolo gráfico la entrada, conformada por un LED o diodo emisor de luz que cuando es polarizado emite luz activando al fototransistor, que es como un interruptor y es la salida del optoacoplador.
El fototransistor se cierra o permite el paso de la corriente a través de sus dos terminales, colector y emisor (el de la flecha), cuando el LED emite luz al ser polarizado.
El optoacoplador está encapsulado y por tanto sus componentes no son visibles.
Fíjate en la línea punteada que separa la entrada de la salida. Esta nos indica la separación eléctrica entre ellas, respetando el aislamiento logrado por el transformador.
La entrada del optoacoplador está conectada al circuito del secundario del transformador chopper y la salida al circuito del primario del mismo.
Las variaciones de tensión del circuito de referencia son transmitidas por el optoacoplador al elemento controlador.
- Controlador
Podemos decir que el controlador de una fuente de alimentación conmutada es su componente vital ya que es el que determina el buen funcionamiento de la misma.
El bloque controlador basa su funcionamiento en la técnica conocida como modulación por ancho de pulso, PWM (por sus siglas en inglés, Pulse Width Modulation).
Recordemos que el transistor conmutador mediante sus encendidos y apagados de muy alta frecuencia generó una señal pulsante para ser entregada al transformador chopper a una frecuencia que depende de los pulsos PWM que recibe del bloque controlador.
La imagen inferior nos muestra unos trenes de pulsos PWM. Cada uno de ellos con un periodo de 10 µs.
Como la frecuencia (f) es el inverso del periodo (T), podemos calcular la frecuencia (Hz) de esas señales eléctricas.
Tenemos una fuente de alimentación conmutada que trabaja a 100 kHz.
Veamos qué ocurre en cada uno de los tres casos.
- Caso 1
Observamos que la anchura del pulso es muy pequeña. Aquí la carga está consumiendo poca corriente y la tensión de salida tiende a aumentar, como consecuencia el controlador disminuye la anchura del pulso para que el transistor conmutador conduzca menos tiempo y la tensión promedio de salida baje.
- Caso 2
Aquí el consumo de corriente de la carga es el normal y el controlador ajusta la anchura del pulso a un nivel medio, el transistor conmutador mantiene la tensión de salida al nivel deseado.
- Caso 3
Observamos que la anchura del pulso es muy amplia. Aquí la carga está consumiendo mucha corriente y la tensión de salida tiende a disminuir, por tanto, el controlador aumenta la anchura del pulso para que el transistor conmutador conduzca más tiempo y la tensión promedio de salida suba.
Técnicamente hablando, el ciclo de trabajo (duty cycle) se adapta para lograr mantener estabilizada la tensión de salida de la fuente de alimentación conmutada.
Convertidores
Recuerda que dijimos que hay cuatro tipos de fuentes de alimentación, ya estudiamos la más importante que es la AC/DC, ahora y debido a su gran utilidad veremos una introducción a los llamados convertidores o fuentes de alimentación DC/DC.
Un convertidor DC/DC (o también CC/CC) se encarga de bajar o subir la tensión continua a un valor deseado, por ejemplo, si tenemos una fuente de tensión de 24 V DC y necesitamos alimentar nuestra tarjeta Arduino, un convertidor de 24/5 sería lo ideal. Puede ocurrir un caso contrario, tenemos una fuente de alimentación de 5 V DC y necesitamos una fuente de 15 V, en este caso usaríamos un convertidor de 5/15.
Afortunadamente la electrónica modular nos ha facilitado enormemente el diseño de nuestros proyectos.
Ventajas de usar convertidores modulares
- Son fuentes de alimentación de conmutación, con las ventajas e inconvenientes que esto conlleva
- Pueden ser aislados, como la fuente conmutada que analizamos o no
- Son económicos
- Alta eficiencia (85-95 %)
- Tamaño pequeño
- Amplia gama de temperatura de funcionamiento (-40° C a +100°C)
Tipos de convertidores
- Convertidores reductores
Cuando necesitamos una tensión fija y tenemos ya una fuente de alimentación de mayor tensión, este tipo de convertidores son una excelente opción para resolver nuestro problema. Este convertidor se denomina convertidor reductor (buck converter).
Podemos encontrar en el mercado módulos convertidores reductores de tensión fija y de tensión variable.
- Convertidores elevadores
Si tenemos una fuente de alimentación de un bajo voltaje, pero necesitamos una tensión superior, este convertidor será nuestra salvación. A este tipo de convertidor se denomina elevador o convertidor de refuerzo (boost converter).
También podemos encontrar en el mercado módulos convertidores elevadores de tensión fija y de tensión variable.
En la imagen inferior podemos apreciar el tamaño del convertidor XL6009E1.
Es fácil ver la entrada (IN) de tensión DC y la salida (OUT) del convertidor DC/DC.
Podemos ajustar la tensión de salida por medio del potenciómetro de ajuste fino (trimmer) de 10KΩ moviendo su tornillo.
Si te fijas en el condensador de entrada 220 µF/35 V y el condensador de salida 100µF/50 V, por la tensión máxima de trabajo de los condensadores no será difícil imaginarte que se trata de un convertidor de tipo boost.
Si eres un poco despistado como yo :) no hay problema, ya que en la parte posterior del módulo hay una gran flecha que nos ayuda a conectar los cables de entrada y salida de tensión.
Las características más destacadas de este convertidor son las siguientes.
- Voltaje de entrada: 3-32 V
- Voltaje de salida: 5-40 V
- Tipo de integrado: MOSFET
- Corriente de salida: 4 A
- Eficiencia: 94%
Hay una gran cantidad de convertidores DC/DC que podemos utilizar según nuestros requerimientos.
¿Qué fuente de alimentación necesito?
Eso depende de la necesidad de tu proyecto.
Llegados a este punto sabes que debes considerar varios factores: el tipo de fuente de alimentación (AC/AC, AC/DC, DC/DC, DC/AC), si necesitas una fuente de alimentación conmutada o lineal, si es importante la regulación de tensión, si te sirve uno de los convertidores comerciales, entre otros.
Ejemplo práctico: fuente de alimentación para un proyecto con Arduino
Vamos a suponer que nuestro proyecto con Arduino requiere utilizar un módulo relé de 8 canales y por tanto no podemos utilizar los 5 voltios que nos ofrece Arduino ya que la corriente que puede suministrar no es la adecuada para polarizar dicho módulo.
La bobina de cada uno de los relevos puede consumir unos 60/90mA y como son 8, el consumo total de corriente está cerca de los 480/720 mA. Es decir, necesitamos utilizar una fuente de alimentación externa.
Abrimos todos nuestros cajones donde guardamos los materiales para nuestros proyectos y encontramos una fuente de alimentación de 13 V DC. Pero necesitamos 5 V; la solución más práctica ya que no queremos dañar nuestra fuente de 13 V y menos comprar o diseñar una fuente nueva, buscar componentes, realizar un circuito impreso, soldar… pues, es utilizar un convertidor DC/DC.
Uno de los que podemos usar es el módulo convertidor LM2596. Este módulo viene en varios modelos, es reductor, oscila a 150 kHz, corriente de salida de unos 2 A, precisión de 88 % y visualizador de tres dígitos.
Al adquirir un modelo con botón podemos monitorear la entrada o la salida de tensión. Al presionarlo alternativamente veremos esos valores; como ayuda visual tiene dos LED que indican si se está mostrando la entrada (IN) o la salida (OUT) de tensión; en la imagen superior se muestran los LED al interior de una elipse roja.
No olvides ver el datasheet del módulo que vas a adquirir para verificar si satisface las necesidades de tu proyecto.
Procedimiento
- Conectamos la fuente de alimentación de 13 V a las terminales marcadas IN+ e IN-, respetando la polarización. No obstante, el módulo trae un diodo de protección de polaridad inversa.
- Presionamos el pulsador hasta obtener la lectura de la tensión de entrada en el visualizador de tres dígitos y verificamos con el multímetro. El módulo muestra 13.2 V y el multímetro 13.3 V.
- Pulsamos el botón para verificar la tensión de salida y ajustamos hasta obtener el valor que necesitamos.
- Dejamos la tensión de salida en 5.1 V y verificamos con el multímetro.
- Ya estamos listos para conectar el módulo de relé de 8 canales a esta tensión de 5.1 V.
Conclusiones sobre fuentes de alimentación
Como habrás podido notar en el recorrido que hemos hecho en torno al funcionamiento de las fuentes de alimentación, algunas de ellas pueden ser tan sencillas como las lineales o tan complejas como las conmutadas; estas últimas requieren de un mayor conocimiento técnico, pero con las bases que hemos estudiado ya sabes cuál es el principio de funcionamiento de las mismas y puedes profundizar en su análisis.
Espero que hayas aprendido algo interesante de las fuentes de alimentación con la lectura de este artículo y que esto te impulse a seguir adelante con el aprendizaje de la tecnología.
Te agradezco por leer y hasta la próxima.
Gracias a Depositphotos por la cesión de las imágenes.
