Diseño de Fuentes Conmutadas

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

“ESTUDIO Y DISEÑO DE UNA FUENTE CONMUTADA”

Introducción

Es común que al hablar de fuentes de alimentación se nos venga a la mente aquella fuente que comúnmente hemos utilizado en nuestros laboratorios, domicilios y/o practicas (fuentes lineales), aunque el concepto de fuente de alimentación es muy clara, es decir la de convertir o transformar una tensión de entrada alterna a una o varias tensiones continuas que puedan alimentar a diferentes equipos electrónicos. Hoy en día los equipos electrónicos, en su mayoría, funcionan con corriente continua, así, el dispositivo que convierte la corriente alterna a corriente continua, en los niveles requeridos por el circuito electrónico a alimentar, se llama fuente de alimentación. En el presente trabajo se pretende explicar o profundizar más nuestro concepto de fuente de alimentación, ampliaremos las características y diferencias que hay entre los dos tipos de fuentes de alimentación es decir: 

Fuentes de alimentación Lineal.

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Fuentes Switching o de conmutación.

También se realizara y explicara el diseño de una fuente de conmutación, en la cual explicaremos los dispositivos y diversas configuraciones configuraciones que se utilizara para el diseño de estas.

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Fuentes de Alimentación En esta primera parte se explicara sobre todo lo que corresponde a fuente de alimentación y sus diversas características. ¿Qué es una fuente de Alimentación? Una manera muy sencilla de definir una fuente de alimentación es la siguiente: “Dispositivo que convierte la corriente alterna, en una o varias corrientes continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta (ordenador, televisor, impresora, router, etc.).” 

En nuestro pensar es aquel dispositivo que se utiliza para suministrar energía eléctrica a un circuito para que esta pueda empezar a funcionar.

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Clasificación de las fuentes de alimentación Existen básicamente dos tipos de fuente de alimentación:  

La fuente regulada o Lineal La fuente conmutada o Switching

Cada una con sus características, sus ventajas y desventajas. Se utiliza una de ellas de acuerdo al uso final que van a tener, es decir, según los requerimientos de estabilidad y rendimiento que tenga la carga a alimentar. 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 complejo y por tanto más susceptible a averías.  Aunque de diferentes puntos de vista se pueden considerar las siguiente clasificación de fuentes de alimentación I.

II.

III.

Según el tipo de salida: i) Fuentes de salida continúa.- su salida es una tensión o corriente qu e no puede ser modificada. ii) Fuentes de salida regulable.- el valor de la salida puede ser modificado. iii) Fuente de salida programable.- se puede indicar que la salida pase a lo largo del tiempo y de forma automática por varios valores. iv) Fuentes de salida simple.- existe una única salida. v) Fuentes de salida múltiple.- existen varias salidas independientes. vi) Fuentes de salida continua.- la salida es una corriente o tensión cuyo valor no cambia en el tiempo. vii) Fuentes de salida alterna.- la salida es una forma de onda periódica. Según la tecnología empleada: i) Fuentes lineales.- operan en régimen lineal. ii) Fuentes conmutadas.- operan en régimen de conmutación. Según el método de control: i) Fuentes digitales.- su sistema de control son digitales. ii) Fuentes analógicas.- su sistema de control es analógico.

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Fuente de alimentación Lineal Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro, regulación y salida.

Se explica a continuación las diferentes etapas de la fuente de alimentación lineal.

I.

Etapa de entrada o de alta tensión: En general la fuente de energía suele ser de alta tensión (110 o 220 voltios eficaces) con 50 o 60 hertz. Dado que la mayor parte de los equipos electrónicos requieren tensiones continuas de unos cuantos voltios, en este tipo de fuente se utiliza el transformador   que realiza una conversión de voltaje. Es decir adapta los niveles de tensión y proporciona aislamiento galvanico. Este elemento suele ser voluminoso, pesado y caro.

II.

Etapa de conversión AC a DC Sabemos que los equipos electrónicos requieren de energía continua, es por eso que pasa por una etapa de rectificación, cuya función principal es convertir la tensión alterna en tensión continua pulsante. Esta etapa por lo general es realizada por 2 o 4 diodos.

III.

Etapa de Filtrado En esta etapa reducimos el rizado de nuestra señal rectificado, lo más común es utilizar un condensador que filtre dicha señal.

IV.

Etapa de Regulación La etapa de regulación se consigue con un dispositivo denominado regulador de tensión.

V.

Etapa de Salida  A fin de conseguir una mayor estabilidad en el rizado se encuentra una segunda etapa de filtrado (aunque no obligatoriamente) esta puede ser simplemente un condensador. 4

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Fuente de alimentación conmutada (Switching) Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador y salida.

Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 kHz típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (cerrados). La forma de onda cuadrada resultante se aplica a transformadores con núcleo de ferrita (Los núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (Con diodos rápidos) y filtrados (inductores y condensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). La regulación se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito PWM (Pulse Width Modulation) que cambia el ciclo de trabajo.  Aquí las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador convierte la señal alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser también un filtro de condensador o uno del tipo LC.

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COMPARACION ENTRE FUENTES CONMUTADAS Y LINEALES

Fuentes Lineales

Fuentes Conmutadas

Tamaño y Peso

Utilizan un transformador de 60 Hz, por ser un transformador de baja frecuencia este suele ser más grande y más pesado.

Utilizan un transformador más liviano que trabaja a frecuencias típicas de 50 kilociclos a 1 megaciclo. Utilizar frecuencias altas nos ayudan a disminuir el tamaño de los dispositivos.

Voltaje de Salida

Regulan la salida usando voltajes altos en etapas previas y luego disipan energía en forma de calor para obtener voltaje más bajo.

Pueden producir voltajes de salida que son más bajos e incluso inversos que el voltaje de entrada, haciéndolos versátiles y mejor adaptables a voltajes de entrada variables.

Disipa el exceso de energía como calor, lo cual es ineficaz

Usa la señal de control para variar el ancho de pulso, tomando de la alimentación solamente la energía requerida por la carga. Idealmente, las fuentes conmutadas son 100% eficientes. El único calor generado se da por las características no ideales de los componentes. Optimizando el diseño, la cantidad de energía disipada y calor pueden ser reducidos al mínimo (95%).

Consiste en última instancia un transistor de potencia, un CI de regulación de voltaje y un condensador de filtro de ruido.

Contiene típicamente un CI regulador, uno o varios transistores y diodos de potencia como así también un transformador, inductores, y condensadores de filtro. Múltiples voltajes se pueden generar a partir del mismo núcleo de transformador. Para ello se utiliza el control por ancho de pulso de entrada.

Emiten típicamente un zumbido débil, en la baja frecuencia de

Con su funcionamiento mucho más alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres

Eficiencia, calor, y energía disipada

Complejidad

Ruido acústico

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alimentación, pero ésta es raramente audible (la vibración de las bobinas y las chapas del núcleo del transformador suelen ser las causas )

Factor de Potencia

Ruido eléctrico sobre la línea de la alimentación

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humanos. El funcionamiento incorrecto puede generar sonidos agudos, ya que genera ruido acústico en la frecuencia del oscilador.

tienen bajo factor de potencia porque la energía es obtenida en los picos de voltaje de la línea de alimentación

En forma similar a las fuentes lineales la energía es obtenida solo de la parte más alta de la onda sinusoidal. Existen fuentes conmutadas con una etapa previa de corrección del factor de potencia que reduce grandemente este problema y son de uso obligatorio en algunos países particularmente europeos a partir de determinadas potencias.

Raramente presentan este efecto.

Las fuentes conmutadas bien diseñadas poseen filtros a la entrada que minimizan la interferencia causada en la línea de alimentación principal.

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