fuentes conmutadas I
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fuentes alimentación conmutadas I
Cómo funcionan las fuentes de alimentación conmutadas
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).
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.
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.
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.
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 funcionamiento 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.
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. 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.
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