Las fuentes de alimentación conmutadas se utilizan para convertir la tensión de entrada en el valor que necesitan los componentes internos. Otro nombre común para las fuentes de alimentación conmutadas son los inversores.
Contenido
¿Qué es una fuente de alimentación conmutada?
Un inversor es una fuente de alimentación secundaria que utiliza una doble conversión de la tensión alterna de entrada. Los valores de salida se ajustan cambiando la duración (anchura) de los pulsos y, en algunos casos, su frecuencia. Este tipo de modulación se denomina modulación por ancho de pulso.
El principio de una fuente de alimentación conmutada
El inversor funciona rectificando la tensión primaria y convirtiéndola en un tren de impulsos de alta frecuencia. Esto contrasta con un transformador convencional. La tensión de salida se utiliza para generar una señal de retroalimentación negativa que permite ajustar los parámetros del impulso. Mediante el control de la anchura de los impulsos, es fácil organizar la estabilización y la regulación de los parámetros de salida, la tensión o la corriente. Es decir, puede ser tanto un regulador de tensión como de corriente.
El número y la polaridad de los valores de salida pueden ser muy diferentes, dependiendo del funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada.
Variedad de fuentes de alimentación
Se utilizan varios tipos de inversores, que se diferencian por sus circuitos:
- sin transformador;
- transformador.
Los primeros se distinguen por el hecho de que la secuencia de impulsos va directamente al rectificador de salida y al filtro de alisado del aparato. Un circuito de este tipo tiene un mínimo de componentes. Un inversor simple incluye un circuito integrado especializado: el oscilador de ancho de pulso.
La principal desventaja de los dispositivos sin transformador es que no tienen aislamiento galvánico de la red eléctrica y pueden suponer un peligro de descarga. También suelen tener poca potencia y sólo entregan 1 valor de tensión de salida.
Más comunes son los dispositivos de transformadores en los que se aplica una secuencia de pulsos de alta frecuencia al devanado primario del transformador. Puede haber tantos devanados secundarios como sea necesario, lo que permite formar varias tensiones de salida. Cada devanado secundario está cargado con su propio rectificador y filtro de suavizado.
Una potente fuente de alimentación conmutada de cualquier ordenador se construye según un circuito de este tipo, que tiene una alta fiabilidad y seguridad. Para la señal de retroalimentación, se utiliza una tensión de 5 o 12 voltios, ya que estos valores requieren una estabilización lo más fina posible.
El uso de transformadores para la conversión de tensión de alta frecuencia (decenas de kilohercios en lugar de 50 Hz) permitió reducir su tamaño y peso muchas veces y utilizar materiales ferromagnéticos con gran fuerza coercitiva como material del núcleo (hilo magnético) en lugar de hierro eléctrico.
Los convertidores CC-CC también se basan en la modulación por ancho de pulso. Sin utilizar circuitos inversores, la conversión era muy difícil.
Circuito de alimentación de CC
El diagrama del circuito de la configuración más común del inversor de pulsos incluye:
- Un filtro de línea para la supresión de interferencias;
- rectificador;
- Un filtro de suavizado;
- convertidor de ancho de pulso;
- transistores clave;
- transformador de alta frecuencia de salida;
- rectificadores de salida;
- salida de filtros individuales y de grupo.
La finalidad del filtro antiparasitario es atrapar las interferencias del funcionamiento del aparato en la red eléctrica. La conmutación de elementos semiconductores de alta potencia puede ir acompañada de la generación de pulsos de corta duración en un amplio espectro de frecuencias. Por lo tanto, es necesario utilizar elementos especialmente diseñados como condensadores de paso para los enlaces de filtrado.
El rectificador sirve para convertir la tensión de CA de entrada en tensión de CC, y un filtro de suavizado posterior elimina el rizado de la tensión rectificada.
Cuando se utiliza un convertidor de CC, el rectificador y el filtro son innecesarios y la señal de entrada, después de pasar por un circuito de filtro de ruido, se alimenta directamente al modulador de ancho de pulso (PWM), o en pocas palabras, PWM.
El PWM es la parte más compleja de un circuito de alimentación de conmutación. Su tarea incluye:
- Generación de pulsos de alta frecuencia;
- control de los parámetros de salida de la unidad y corrección del tren de impulsos de acuerdo con la señal de retroalimentación;
- Control y protección contra las sobrecargas.
La señal PWM se alimenta a los pines de control de los transistores de alta potencia conectados en puente o medio puente. Los cables de alimentación se conectan al devanado primario del transformador de salida de alta frecuencia. Los transistores bipolares tradicionales se sustituyen por transistores IGBT o MOSFET, que tienen una caída de tensión de unión muy baja y un rendimiento de alta velocidad. La mejora del rendimiento de los transistores permite reducir la disipación de energía para las mismas dimensiones y diseño técnico.
El transformador de impulsos de salida utiliza el mismo principio de conversión que el transformador clásico. La excepción es la operación de sobrefrecuencia. En consecuencia, los transformadores de alta frecuencia tienen unas dimensiones más reducidas para la misma potencia transmitida.
La tensión del devanado secundario del transformador de potencia (puede haber varios) se alimenta a los rectificadores de salida. A diferencia del rectificador de entrada, los diodos rectificadores del circuito secundario deben tener una frecuencia de funcionamiento más alta. Los diodos Schottky funcionan mejor en esta sección del circuito. Sus ventajas sobre los diodos convencionales son:
- alta frecuencia de funcionamiento;
- menor capacitancia de la unión p-n;
- baja caída de tensión.
El objetivo del filtro de salida en una fuente de alimentación conmutada es reducir el rizado de la tensión de salida rectificada al mínimo necesario. Como la frecuencia de ondulación es mucho mayor que la de la tensión de línea, no es necesario que las bobinas tengan una capacitancia e inductancia elevadas.
Ámbito de aplicación de la fuente de alimentación conmutada
En la mayoría de los casos se utilizan inversores de tensión por impulsos en lugar de los tradicionales inversores de transformadores con estabilizadores de semiconductores. Con la misma potencia, los inversores son más pequeños y ligeros, más fiables y, lo que es más importante, más eficientes y pueden funcionar con una amplia gama de tensiones de entrada. Y para un tamaño comparable, la potencia máxima del inversor es varias veces superior.
En un ámbito como el de la conversión de la tensión continua, las fuentes de impulsos casi no tienen alternativa y son capaces de operar no sólo reduciendo la tensión, sino también generando una tensión más alta y disponiendo la inversión de la polaridad. La alta frecuencia de conversión facilita enormemente el filtrado y la estabilización de los parámetros de salida.
Los pequeños inversores basados en circuitos integrados especializados se utilizan como cargadores para todo tipo de aparatos, y su fiabilidad es tal que la vida útil de la unidad de carga puede superar varias veces la de un dispositivo móvil.
Los controladores de potencia de 12 voltios para encender las fuentes de luz LED también se basan en un circuito de conmutación.
Cómo hacer una fuente de alimentación conmutada con tus propias manos
Los inversores, especialmente los más potentes, tienen circuitos complejos y sólo son accesibles para los radioaficionados experimentados. Para el autoensamblaje de las fuentes de alimentación de la red se pueden recomendar circuitos sencillos de bajo consumo con el uso de controladores PWM especializados. Estos circuitos integrados tienen un bajo nivel de cableado y un diseño de circuito bien establecido que no requiere prácticamente ningún ajuste ni puesta a punto.
Al trabajar en construcciones caseras o reparar dispositivos industriales, recuerde que parte del circuito siempre estará bajo el potencial de la red, por lo que deben observarse las precauciones de seguridad.
Artículos relacionados:
