¿Qué es una Fuente de Alimentación Conmutada?
Una fuente de alimentación conmutada (SMPS, por sus siglas en inglés) es un tipo de fuente de energía que utiliza un circuito de conversión de energía altamente eficiente llamado regulador de conmutación.
En dispositivos electrónicos con circuitos integrados y microcontroladores, es necesario proporcionar una corriente continua estable con mínimas fluctuaciones de voltaje. Las fuentes de alimentación estabilizadas pueden ser lineales o conmutadas, pero las lineales han sido las más utilizadas tradicionalmente.
En el caso de las fuentes de alimentación lineales, el circuito es sencillo: una tensión alterna de 100 V se convierte en una tensión alterna constante, y la corriente alterna se rectifica utilizando la propiedad de los diodos de fluir corriente hacia delante pero no hacia atrás. A continuación, se suaviza mediante condensadores. Sin embargo, esto tenía la desventaja de que la fuente de alimentación no podía hacerse más pequeña o más eficiente.
Las fuentes de alimentación conmutadas han resuelto este problema. A diferencia de las fuentes lineales, las fuentes de alimentación conmutadas rectifican primero la corriente alterna de la red en una corriente continua y luego la convierten en corriente alterna pulsante mediante ciclos de encendido y apagado. Esta corriente pulsante se alimenta a un transformador de alta frecuencia. Las fuentes de alimentación conmutadas son más compactas y livianas, aunque sus circuitos son más complejos.
Usos de las Fuentes de Alimentación Conmutadas
Las fuentes de alimentación conmutadas presentan una serie de ventajas en comparación con las fuentes de alimentación lineales convencionales. Aunque su diseño y circuitos son más complejos, su principal beneficio radica en su alta compactabilidad gracias al uso de circuitos integrados en los estabilizadores. Al no requerir un transformador de potencia grande y pesado, como ocurre en las fuentes de alimentación lineales, las fuentes de alimentación conmutadas pueden fabricarse en tamaños más pequeños y ligeros.
Esta compacidad y ligereza las hace ideales para aplicaciones como adaptadores de corriente para teléfonos móviles y dispositivos electrónicos portátiles, como computadoras y tabletas. Además, en los últimos años se ha logrado una mayor miniaturización mediante el uso de dispositivos de nitruro de galio (GaN) de alta potencia y eficiencia en lugar de los dispositivos de silicio convencionales. Esta tecnología ha permitido la fabricación de adaptadores de corriente aún más pequeños y eficientes.
Las fuentes de alimentación conmutadas también ofrecen ventajas en términos de eficiencia energética y capacidad de regulación de voltaje. Su diseño permite una mayor eficiencia en la conversión de energía, lo que se traduce en un menor consumo de energía y una menor generación de calor. Además, su capacidad para regular el voltaje de salida de manera precisa y estable las hace adecuadas para su uso en una amplia gama de dispositivos electrónicos sensibles a la tensión, proporcionando un suministro de energía confiable y constante.
Principio de las Fuentes de Alimentación Conmutadas
El principio de funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas es opuesto al de las fuentes de alimentación lineales convencionales. En lugar de utilizar un transformador para convertir la corriente comercial en tensión y luego rectificarla, las fuentes de alimentación conmutadas rectifican primero la corriente alterna en corriente continua y luego la convierten en corriente alterna pulsante a través de la conmutación rápida de elementos semiconductores como transistores y MOS FET. Esta corriente pulsante se introduce en un transformador de alta frecuencia.
Existen varios métodos de control para las fuentes de alimentación conmutadas, de los cuales el PWM (modulación por ancho de pulsos) es un ejemplo típico. Se trata de un método para estabilizar la tensión ajustando el tiempo de conexión y desconexión del ciclo de conmutación, es decir, la anchura de la onda de impulsos, para que el área de cada impulso sea la misma. Las fuentes de alimentación conmutadas también se caracterizan por una mayor eficiencia, ya que la salida se puede ajustar encendiendo y apagando.
Además, los pulsos de las fuentes de alimentación conmutadas tienen una frecuencia alta, de decenas de kHz a varios cientos de kHz, por lo que el transformador puede ser pequeño y ligero. Sin embargo, las altas frecuencias aumentan las pérdidas en el núcleo de hierro, por lo que se utilizan núcleos de ferrita. Esto aumenta la eficiencia de la fuente de alimentación y ahorra energía.
El núcleo de ferrita está unido a una varilla de un material llamado ferrita que envuelve el cable, el cual absorbe el campo magnético generado por la corriente de ruido de alta frecuencia que circula por el cable y lo convierte en calor, reduciendo así el ruido.
El punto débil de las fuentes de alimentación conmutadas es la generación de ruido debido a la conmutación a alta velocidad, que se espera reducir con la tecnología de ferrita.
Más Información sobre las Fuentes de Alimentación Conmutadas
1. Frecuencia de las Fuentes de Alimentación Conmutadas
Las fuentes de alimentación conmutadas convierten la tensión de salida en un valor de tensión especificado ajustando el tiempo ON/OFF con una operación de conmutación mediante elementos semiconductores. La frecuencia de la señal que controla esta conmutación ON/OFF se denomina “frecuencia de conmutación”.
2. Utilización Frecuente de una Tensión de 24 V
En los productos eléctricos que utilizan fuentes de alimentación conmutadas, la tensión de salida necesaria para la fuente de alimentación suele ser de 24 V CC. La razón es, según diversas teorías, que los circuitos de control requieren esa tensión.
En el pasado, la CC se alimentaba a menudo con pilas, por lo que se estableció que la tensión fuera un múltiplo integral de la celda de 1,5 V de una pila seca. En dispositivos más pequeños, también se utilizan de la misma forma 6 V, 9 V, 12 V, etc., pero también son múltiplos enteros de 1,5.
Antes de que los circuitos de control utilizados en la automatización de fábricas fueran sustituidos por PLC (controladores programables), los circuitos consistían en relés electromagnéticos y la tensión se utilizaba para encender los relés. Como vestigio de ello, hoy en día se sigue utilizando a menudo la tensión de 24 V. También hay otras razones para utilizar 24 V CC, como su resistencia a entornos ruidosos.
3. Ruido en Fuentes de Alimentación Conmutadas
Las fuentes de alimentación conmutadas utilizan elementos de conmutación para activar y desactivar la corriente a alta velocidad, por lo que es inevitable que se genere ruido de alta frecuencia. La historia del desarrollo de las fuentes de alimentación conmutadas ha sido la del aumento de la eficiencia y, al mismo tiempo, la de las contramedidas del ruido como un imperativo. Las fuentes de alimentación conmutadas modernas están equipadas con diversas medidas para contrarrestar el ruido.
Las fuentes de alimentación conmutadas son en sí mismas fuentes de ruido. El ruido no sólo se añade a la línea de alimentación de salida, sino que también se convierte en una onda electromagnética que afecta a los equipos electrónicos.
Algunas de las técnicas utilizadas para reducir el ruido incluyen:
- Reflexión: utilización de inductores y condensadores como filtros para evitar que se transmitan los componentes de ruido.
- Absorción: absorber el ruido con núcleos de ferrita y convertirlo en calor u otro tipo de energía.
- Derivación: deriva el ruido a tierra mediante condensadores.
- Blindaje: los componentes de ruido radiado se dejan caer a tierra con una carcasa metálica o se absorben con un material de ferrita u otro material absorbente de ondas de radio.
4 Ejemplos detallados de Supresión de Ruido en Fuentes de Alimentación Conmutadas
Uno de los tipos de ruido más comúnmente tratados es el ruido en modo común y el ruido diferencial.
Ruido en Modo Común
Se trata del ruido que se filtra a través de la capacitancia parásita generada entre la placa de circuitos de la fuente de alimentación conmutada y la carcasa del dispositivo, y vuelve al lado de la fuente de alimentación a través de la GND (masa) como una ruta de bucle. Se denomina así porque la dirección de la corriente de ruido en los polos positivo y negativo de la fuente de alimentación es la misma para cada uno de ellos.
Ruido Diferencial
En este caso, el ruido de corriente de una fuente de ruido que entra en el circuito de la fuente de alimentación conmutada en serie con la línea de alimentación y vuelve al lado de la fuente de alimentación a través de la línea de alimentación. Como su nombre indica, la dirección de cada corriente de ruido en los polos positivo y negativo de la fuente de alimentación es opuesta y también se denomina ruido en modo normal.
En general, el ruido en modo común irradia más que el ruido en modo normal, pero ambos deben contrarrestarse si se supera el nivel de ruido permitido. El primer método consiste en acortar la longitud del cable del trayecto o utilizar hilos trenzados.
Para contrarrestarlo en toda su extensión, hay que añadir filtros de ruido. Las bobinas de choque son eficaces contra el ruido de modo común. También se utilizan condensadores de derivación a tierra, conocidos como passcons. La supresión del ruido diferencial se consigue conectando condensadores entre líneas de alimentación que fluyen en direcciones opuestas.