8-FUENTES DE ALIMENTECIÓN

INTRODUCCIÓN

Fuentes de alimentación, para dispositivos electrónicos, pueden clasificarse básicamente como fuentes de alimentación lineales y conmutadas. Las lineales tienen un diseño relativamente simple, que puede llegar a ser más complejo cuanto mayor es la corriente que deben suministrar, sin embargo su regulación de tensión es poco eficiente. Una fuente conmutada, de la misma potencia que una lineal, será más pequeña y normalmente más eficiente pero será más compleja y por tanto más susceptible a averías.

La elección del uso de una fuente de alimentación conmutada, o una fuente lineal en un diseño particular está basada en las necesidades de la aplicación. Ambos tipos de fuentes de alimentación tienen sus ventajas y desventajas.

BREVE EXPLICACION DEL FUNCIONAMIENTO DE CADA DISPOSITIVO

Todo circuito requiere para su funcionamiento de una fuente eléctrica de energía, puesto que la corriente y voltaje que proporciona la línea comercial no es la adecuada para que su funcionamiento sea el correcto.
Un dispositivo a base de semiconductores que integran un circuito, funciona con tensiones y corrientes directas lo mas continuas posibles, así pues, la fuente de alimentación convierte la energía de la línea comercial en energía directa a los valore requeridos.
La fuente de alimentación regulada para su correcto funcionamiento se constituye a base de 4 etapas de funcionamiento que en el siguiente diagrama a bloques se muestra.

FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS INDIVIDUALMENTE EN LA FUENTE.

1.-Transformador:  El voltaje de la línea doméstica se reduce de 127 Volts a aproximadamente 12 Volts  ó 5 V.

2.- Rectificador: Se transforma el voltaje de corriente alterna en voltaje de corriente directa, esto lo hace dejando pasar solo los valores positivos de la onda (se genera corriente continua), por medio de elementos electrónicos llamados diodos

3.- Filtro: esta le da calidad a la corriente continua y suaviza el voltaje, por medio de elementos electrónicos llamados capacitores

4.-Regulador: el voltaje ya suavizado se le da la forma lineal que utilizan los dispositivos. Se usa un circuito integrado especial. Esta fase es la que entrega la energía necesaria, en caso de querer regular de manera analógica se usan elementos llamados potenciómetros.

Todos estos, tienen como se puede observar, efectúan funciones específicas en su respectiva zona de la transformación de la corriente, ya que esencialmente esas son las partes que componen una fuente de alimentación lineal básicamente.

Fuentes Lineales

La fuente lineal ofrece al diseñador tres ventajas principales:

• Simplicidad de diseño.
• Operación suave y capacidad de manejar cargas. Bajo ruido de salida y una respuesta dinámica muy rápida.
• Para potencias menores a 10W, el costo de los componentes es mucho menor que el de las fuentes conmutadas.

Las desventajas del regulador lineal es su límite de aplicación. Sólo pueden ser reductores de tensión, lo que significa que se necesitará una caída de tensión aceptable para poder controlar la polarización de la etapa de potencia lineal y la regulación en la línea. En aplicaciones de línea de 50Hz, deberán utilizarse transformadores de linea adicionales de gran volumen, condicionando su versatilidad y practicidad.

Segundo, cada regulador lineal puede tener sólo una salida. Por esto, para cada salida regulada adicional necesaria, deberá incrementarse el circuito de potencia.

Tercero, y quizas el más importante es su eficiencia. En aplicaciones normales, losreguladores lineales tienen una eficiencia del 30 al 60%. Esto significa que por cada Watt los costos se irán incrementando. Esta pérdida llamada “headroom loss“, ocurre en el transistor de paso y, desafortunadamente es necesaria para polarizar la etapa de potencia y para cumplir con las especificaciones de regulación de línea, cuando la mayoría del tiempo el regulador no funcionará en esas condiciones.

Fuentes Conmutadas

Las fuentes conmutadas tienen las siguientes ventajas:

• La eficiencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 68 y el 90%. Esto hace reducir el costo de los dispositivos de potencia. Además, los dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte y saturación, haciendo el uso más eficiente de un dispositivo de potencia.
• Debido a que la tensión de entrada es conmutada en un forma de alterna y ubicada en un elemento magnético, se puede variar la relación de transformación pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensión con múltiples salidas.
• No es necesario el uso del transformador de línea, ya que el elemento magnético de transferencia de energía lo puede reemplazar, funcionando no en 50/60 Hz, sino en alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño del transformador y en consecuencia, de la fuente; reduciendo el peso, y el coste.

Un transformador de energía de 50/60 Hz tiene un volumen efectivo significativamente mayor que uno aplicado en una fuente conmutada, cuya frecuencia es típicamente mayor que 15 kHz.

La desventajas de las fuentes conmutadas es su diseño más elaborado. Un diseño de una fuente conmutada puede llevar varias semanas o meses de desarrollo y puesta a punto, dependiendo de los requerimientos.

Segundo, el ruido es mayor que el de las fuentes lineales. En la salida y entrada, radia interferencia electromagnética y de radiofrecuencia. Esto puede dificultar el control y no deberá ser ignorado durante la fase de diseño. Por éste motivo se deberán agregar de protección, de arranque suave, y filtros de línea adicionales como etapas previas.

Tercero, la fuente conmutada toma proporciones de energía de la entrada en pulsos de tiempos limitados para transferirlo a la salida en otras condiciones de corriente y tensión, por lo que le llevará mayor tiempo de restablecimiento al circuito para soportar variaciones en la entrada. Esto se llama “respuesta transitoria en el tiempo“. Para compensar este funcionamiento lento, los capacitores de filtro de salida se deberán incrementar para almacenar la energía necesaria por la carga durante el tiempo en que la fuente conmutada se está ajustando.

Generalmente, la industria está optando por el uso de fuentes conmutadas en la mayoría de las aplicaciones. En baja potencia, donde es necesario una mejor característica de rizado se está optando por insertar una fuente lineal en serie con la fuente conmutada.

FUENTE DE ALIMENTACION FIJA

En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la tensión alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan o suministran energía a su salida. Cabe mencionar que esta por si sola es la definición de una fuente de alimentación, pero también describe lo que es específicamente una fuente de alimentación fija, ya que solo da un voltaje periódicamente igual.

Para regular específicamente las fuentes de alimentación aquí hay una relación de los reguladores usados para cada circuito.

Circuito básico de una fuente de alimentación fija

Componentes

S1: conmutador SPST
T1: Transformador
BR1: Puente rectificador
C1: Condensador electrolítico
C2: Condensador electrolítico
C3: Condensador electrolítico
C4: Condensador electrolítico 

Para regular específicamente las fuentes de alimentación aquí hay una relación de los reguladores usados para cada circuito.

Tensión                U1

-------                      --

24V                       LM7824C

18V                       LM7818C

15V                       LM7815C o LM7815

12V                       LM7812C o LM7812

8V                          LM7808C

6V                          LM7806C

5V                          LM7805C o LM7805

FUENTES REGULABLES

Las fuentes regulables, a diferencia de las fijas, contienen un arreglo que permite la manipulación de voltaje a la salida, esto se debe a que el usuario necesita un voltaje diferente al establecido en las fuentes fijas, ya sea solo para uso experimental o alimentación de un circuito de requerimientos diferentes.

Así como hemos visto anteriormente hay muchas formas de regular la corriente, la más común es usando un regulador de tención pero en lugar de usar un integrado de la serie “78XX” (y “79XX” para voltajes negativos donde XX es el nuero al que regula el voltaje de salida), ocupamos un LM317 para salida de voltaje positivo y un LM337 para salida negativa, estos van acompañados de un arreglo de resistencias, una a la salida y en paralelo al canal de regulación que tiene la otra resistencia pero que es ajustable, así una vez que baja la señal en el canal de entrada, el dispositivo baja también la salida tensión, por tanto el voltaje disminuye y aumenta proporcionalmente. Este es el diagrama de cómo debería lucir una fuente regulable

También, tomando en cuenta que del puente de diodos a la salida el voltaje aun se presente en ondas y no en forma lineal, por lo que debe llevar sus respectivos filtros, como capacitores de diferentes capacitancias, resistencias y diodos

FILTROS

Como se busca que las fuentes tengan un voltaje sin variaciones, se ocupan estos filtros, estos filtros eran llamados “filtros pasivos “ocupados en los años 70`s por su casi perfecta regulación son actualmente ocupados aun, y aunque ya existen estabilizadores de tención, generalmente siempre tiene limitaciones, haciendo de los filtros pasivos excelentes herramientas

Filtros de RC: estos filtros son compuestos de un arreglo “resistencia-capacitor” siendo así secciones de filtros, esto permite de manera fácil y barata mantener lineal una salida lineal

Pero como cualquier cosa real estos filtros presentan una desventaja, es que hay una pérdida de tención después de cada resistencia, permitiendo un buen uso de la fuente para circuitos de bajas cargas, por tanto, no es buena idea conectar circuitos que demande corrientes mas altas

Filtros LC: estos filtros son parecidos a los anteriores pero en lugar de usar resistencias que bajan la corriente ocupan embobinados, estos son usados en conjunto con los capacitores pera generar una sección de filtración de la siguiente forma:

Su desventaja es que los para mayor eficaci del circuito el enbobinado puede llegar a ser tan grande como el transformador, pero esto da un margen de rror casi nulo.

De esta forma la fuente quedara asi:

Fuente simétrica

Seguro que en muchas ocasiones hemos necesitado una fuente capaz de suministrar diversas tensiones dentro de un amplio margen de valores. Del mismo modo y por causa de los distintos márgenes de consumo, habría sido útil que dicha fuente incorporara un limitador de corriente ajustable, por ejemplo; para cargar baterías Ni/Cd, en cuya carga como es sabido, necesita mantener constante la corriente de carga y que fuera cortocircuitable para usarla en circuitos cuyo consumo desconocemos.

Generalmente, para 'cacharrear' es suficiente con una fuente de alimentación sencilla, nada más lejos de la realidad. En algunas aplicaciones será necesario que la corriente suministrada por la fuente sea elevada y en casi todos los casos una fuente regulable de 0V a 30V capaz de suministrar 5A será más que suficiente para poder alimentar todos los prototipos y equipos de laboratorio.

El problema se presenta en el momento de alimentar amplificadores operacionales, los cuales requieren de alimentación simétrica, como los amplificadores de audio, con entrada diferencial. La mayoría de los Op-Amp (amplificadores operacionales) requieren de una alimentación positiva respecto a masa y otra negativa respecto a la misma masa, debiendo ser del mismo valor, de ahí lo de simetría.

El circuito es sencillo debido a la utilización de dos reguladores de tensión los cuales proporcionan al montaje alta fiabilidad, robustez y características casi inmejorables. Uno de los reguladores LM338 (µA78HG) se encarga de la rama positiva y el otro LM337 (µA79HG), se encarga de la rama negativa.

No pasaremos a contemplar la constitución de cada uno de ellos, ya que consideramos que entra en la parte más teórica y pretendemos ajustarnos a lo esencial y práctico.

El ajuste de la tensión de salida se realiza mediante la actuación sobre un potenciómetro (P1) y una resistencia (R1) para mantener el valor mínimo, de 5V que especifica el fabricante. Con el fin de mejorar la respuesta a los posibles transitorios, evitar auto oscilaciones y mejorar el filtrado, se utilizan unos condensadores electrolíticos de baja capacidad a la entrada y salida de cada regulador

La tensión suministrada por el secundario del transformador T1, constituido por dos secundarios simétricos (del mismo valor 24V), se rectifica mediante el puente rectificador PR, y posteriormente se filtra mediante los condensadores electrolíticos idénticos C1 y C2 los cuales se cargarán a la tensión de pico, téngase muy en cuenta en estos casos la tensión de trabajo de estos condensadores que será de la suma de los dos polos, en este caso de 80V, la tensión obtenida a la entrada de los reguladores será de aproximadamente 33,8V.

Mediante los potenciómetros P1 y P2, debe ser uno doble de modo que la tensión de salida sea idéntica en cada ramal, para lograrlo se debe retocar la posible diferencia con el potenciómetro de ajuste en serie

Al terminar el montaje, la fuente quedará dispuesta para su inmediata utilización, sin necesidad de ajuste alguno, salvo el ajuste de los P1 y P2 para obtener la tensión deseada a la salida.

En caso de cortocircuito, la corriente máxima quedará limitada a 7A, según el propio fabricante evitando de este modo su destrucción. Se recomienda no probar si esto es cierto, debido al alto costo de estos reguladores

Existen importantes aplicaciones tecnológicas basadas en la alimentación simétrica, ya que la alimentación simétrica tiene la gran ventaja de que la pérdida de potencia en lalínea de transmisión es un orden de magnitud menor que la alimentación asimétrica porcable coaxial.

El campo alterno generado por el conductor ascendente es cancelado por el campo generado por su homólogo descendente.

Además, la alimentación simétrica en delta permite la simplificación de la construcción.

La alimentación simétrica es por lo tanto la alimentación preferida en la operación QRPy en el modo EME, modos donde cada dB de ganancia cuenta.

Cómo funcionan las fuentes de alimentación conmutadas I

Las fuentes de alimentación conmutadas, también conocidas como SMPS (switch mode power supply) son esenciales en nuestra vida, y por lo tanto en nuestro trabajo como técnicos.

En electrónica, la mayoría de averías están relacionadas con las fuentes de alimentación. Por eso, conociéndolas y sabiendo repararlas, podemos resolver un gran porcentaje de problemas.

Conocer las fuentes de alimentación conmutadas no solamente sirve para repararlas. Hay una gran cantidad de equipos que utilizan electrónica de potencia, como los variadores de frecuencia que regulan la velocidad de los motores, las máquinas de soldadura, o los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI).

Por eso quiero dedicar una serie de artículos a este tema. Además, dependiendo del interés que despierte, estoy valorando la idea de crear un libro o un videocurso sobre reparación de fuentes de alimentación conmutadas.

Si tienes bastantes conocimientos en electrónica, quizás algunas explicaciones te parezcan muy básicas, pero prefiero hacerlo de esta forma para que sea comprensible por todos.

Qué es una fuente de alimentación

La corriente eléctrica que llega a los edificios e industrias tiene unas características determinadas. La mayoría de receptores que se conectan a la red eléctrica no pueden trabajar directamente con esta corriente, es necesario modificarla.

La red eléctrica suministra corriente alterna, que invierte su polaridad unas 100 o 120 veces por segundo, dependiendo del estándar seguido en cada país.

Los equipos electrónicos trabajan con corriente continua, que tiene un valor fijo, siempre con la misma polaridad.

Fuente de alimentación conmutada

Para convertir la corriente alterna en corriente continua es necesario rectificarla y estabilizarla.

La tensión de la red eléctrica puede ser de entre 110V y 400V, dependiendo del país.

Los equipos conectados pueden trabajar a cualquier tensión, dependiendo de su aplicación. Por ejemplo, un televisor trabaja internamente con varias tensiones, que pueden ir desde poco más de 1Vdc hasta más de 50000V en el caso de los televisores CRT (los de tubo de rayos catódicos, que ya han sido sustituidos por las pantallas planas).

El ejemplo más básico de fuente de alimentación que todos conocemos sería el cargador para el teléfono móvil (celular). Éste convierte la corriente de la red eléctrica, que puede ser de 100…240Vac a un valor que en la mayoría de los casos es de 5Vdc.

Fuentes lineales y fuentes conmutadas

Seguramente recuerdas que los primeros cargadores para teléfonos pesaban mucho más que los actuales.

Los más pesados utilizaban fuentes de alimentación lineales, mientras que los más ligeros usan fuentes de alimentación conmutadas.

En una fuente de alimentación lineal se reduce la tensión mediante un transformador, y seguidamente se rectifica con diodos. Para que la corriente sea más estable se filtra con condensadores electrolíticos, y en algunos casos se añaden estabilizadores para que la tensión de salida tenga un valor exacto.

Clroador salino con fuente de alimentación lineal

Este tipo de fuentes tiene una gran pérdida de energía en el transformador. Además, para conseguir corrientes de salida muy altas, el transformador debe tener estar bobinado con hilo de cobre muy grueso, lo que hace que sea muy grande y pesado.

Las fuentes de alimentación conmutadas utilizan un principio similar, pero con diferencias muy importantes. Básicamente, aumentan la frecuencia de la corriente, que pasa de oscilar 50/60Hz a más de 100kHz, dependiendo del sistema utilizado.

Fuente de alimentación conmutada

Al aumentar tanto la frecuencia, reducimos las pérdidas y conseguimos reducir el tamaño del transformador, y con ello su peso y volumen.

En este tipo de fuentes, la corriente se convierte de alterna a continua, después otra vez a alterna con una frecuencia distinta a la anterior, y seguidamente vuelve a transformarse en continua. Por eso muchos equipos basados en fuentes conmutadas son conocidas como inversores o inverters.

Un claro ejemplo serían las máquinas de soldadura al arco. Los equipos que usan transformadores lineales (prácticamente han desaparecido) pesan muchísimo más que los de tipo inverter, que no es más que una fuente de alimentación conmutada, adaptada a las características de este tipo de máquinas.

En un variador de velocidad, el funci0namiento es muy similar. Regulando la frecuencia del modificamos la velocidad del motor.

Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada

Para entender el funcionamiento de una fuente conmutada, debemos separarla en bloques, y analizarlos paso a paso. De momento vamos a resumirlos, para ir profundizando en los siguientes artículos.

Existen muchos tipos distintos de fuentes, y sería imposible explicar los detalles de cada uno. Por eso, he creído que lo más conveniente es centrarnos en los sistemas más comunes.

Bloques de una fuente de alimentación conmutada (SMPS)

 Filtro EMC. Su función es absorber los problemas eléctricos de la red, como ruidos, armónicos, transitorios, etc. También evita que la propia fuente envíe interferencias a la red.

Puente rectificador. Solo deja pasar la corriente en un sentido, de modo que convierte la corriente alterna en corriente pulsante, es decir que oscila igual que la corriente alterna, aunque únicamente en un sentido.

Corrector del factor de potencia. En determinadas circunstancias, la corriente se desfasa respecto a la tensión, lo que provoca que no se aproveche toda la potencia de la red. Puedes ver una explicación completa en este artículo de Xavi Ventura. El corrector se encarga de solventar este problema.

Condensador. Amortigua la corriente pulsante para convertirla en corriente continua con un valor estable.

Transistor. Se encarga de cortar y activar el paso de la corriente. De este modo se convierte a la corriente continua en corriente pulsante.

Controlador. Activa y desactiva el transistor. Esta parte del circuito suele tener varias funciones, como protección contra cortocircuitos, sobrecargas, sobretensiones… También controla al circuito de corrección del factor de potencia. Además, mide la tensión de salida de la fuente, y modifica la señal entregada al transistor, para regular la tensión y mantener estable la salida.

Transformador. Reduce la tensión, y además aísla físicamente la entrada de la salida.

Diodo. Convierte la corriente alterna del transformador a corriente pulsante.

Filtro. Convierte la corriente pulsante en continua.

Optoacoplador. Enlaza la salida de la fuente con el circuito de control, pero manteniéndolos físicamente separados