Una fuente de alimentación es un dispositivo eléctrico que suministra energía eléctrica a una carga eléctrica . El propósito principal de una fuente de alimentación es convertir la corriente eléctrica de una fuente al voltaje , la corriente y la frecuencia correctos para alimentar la carga. Como resultado, las fuentes de alimentación a veces se denominan convertidores de energía eléctrica . Algunas fuentes de alimentación son equipos independientes separados, mientras que otras están integradas en los dispositivos de carga que alimentan. Ejemplos de estos últimos incluyen fuentes de alimentación que se encuentran en computadoras de escritorio y dispositivos electrónicos de consumo . Otras funciones que pueden realizar las fuentes de alimentación incluyen limitar la corriente consumida por la carga a niveles seguros, apagar la corriente en caso de una falla eléctrica , acondicionamiento de energía para evitar que el ruido electrónico o las subidas de voltaje en la entrada lleguen a la carga, corrección del factor de potencia y almacenamiento de energía para que pueda continuar alimentando la carga en caso de una interrupción temporal en la fuente de energía ( sistema de alimentación ininterrumpida ).
Todas las fuentes de alimentación tienen una conexión de entrada de energía , que recibe energía en forma de corriente eléctrica de una fuente, y una o más conexiones de salida de energía o de riel que entregan corriente a la carga. La fuente de energía puede provenir de la red eléctrica , como una toma de corriente , dispositivos de almacenamiento de energía como baterías o celdas de combustible , generadores o alternadores , convertidores de energía solar u otra fuente de alimentación. La entrada y la salida suelen ser conexiones de circuitos cableados, aunque algunas fuentes de alimentación emplean transferencia de energía inalámbrica para alimentar sus cargas sin conexiones cableadas. Algunas fuentes de alimentación también tienen otros tipos de entradas y salidas, para funciones como monitoreo y control externos.
Las fuentes de alimentación se clasifican de varias maneras, incluso por sus características funcionales. Por ejemplo, una fuente de alimentación regulada es aquella que mantiene un voltaje o corriente de salida constante a pesar de las variaciones en la corriente de carga o el voltaje de entrada. Por el contrario, la salida de una fuente de alimentación no regulada puede cambiar significativamente cuando cambia su voltaje de entrada o corriente de carga. Las fuentes de alimentación ajustables permiten programar el voltaje o la corriente de salida mediante controles mecánicos (por ejemplo, perillas en el panel frontal de la fuente de alimentación), o por medio de una entrada de control, o ambos. Una fuente de alimentación regulada ajustable es aquella que es ajustable y regulada. Una fuente de alimentación aislada tiene una salida de potencia que es eléctricamente independiente de su entrada de potencia; esto es en contraste con otras fuentes de alimentación que comparten una conexión común entre la entrada y la salida de potencia.
Las fuentes de alimentación se empaquetan de diferentes maneras y se clasifican en consecuencia. Una fuente de alimentación de banco es una unidad de escritorio independiente que se utiliza en aplicaciones como prueba y desarrollo de circuitos. Las fuentes de alimentación de marco abierto tienen solo una carcasa mecánica parcial, que a veces consta solo de una base de montaje; por lo general, están integradas en maquinaria u otro equipo. Las fuentes de alimentación de montaje en bastidor están diseñadas para asegurarse en bastidores de equipos electrónicos estándar. Una fuente de alimentación integrada es una que comparte una placa de circuito impreso común con su carga. Una fuente de alimentación externa , adaptador de CA o bloque de alimentación , es una fuente de alimentación ubicada en el cable de alimentación de CA de la carga que se enchufa a una toma de corriente de pared; un adaptador de pared es una fuente externa integrada con el enchufe de la toma de corriente. Estos son populares en la electrónica de consumo debido a su seguridad; la corriente principal peligrosa de 120 o 240 voltios se transforma a un voltaje más seguro antes de ingresar al cuerpo del aparato.
Las fuentes de alimentación se pueden dividir en tipos lineales y de conmutación . Los convertidores de potencia lineales procesan la potencia de entrada directamente, con todos los componentes de conversión de potencia activa operando en sus regiones de operación lineal. En los convertidores de potencia de conmutación, la potencia de entrada se convierte en pulsos de CA o CC antes del procesamiento, por componentes que operan predominantemente en modos no lineales (por ejemplo, transistores que pasan la mayor parte de su tiempo en corte o saturación). La potencia se "pierde" (se convierte en calor) cuando los componentes operan en sus regiones lineales y, en consecuencia, los convertidores de conmutación suelen ser más eficientes que los convertidores lineales porque sus componentes pasan menos tiempo en las regiones de operación lineal.
Una fuente de alimentación de CA a CC funciona con un voltaje de entrada de CA y genera un voltaje de salida de CC. Según los requisitos de la aplicación, el voltaje de salida puede contener cantidades grandes o insignificantes de componentes de frecuencia de CA conocidos como voltaje de ondulación , relacionados con la frecuencia del voltaje de entrada de CA y el funcionamiento de la fuente de alimentación. Una fuente de alimentación de CC que funciona con un voltaje de entrada de CC se denomina convertidor de CC a CC . Esta sección se centra principalmente en la variante de CA a CC.
En una fuente de alimentación lineal, el voltaje de entrada de CA pasa a través de un transformador de potencia y luego se rectifica y se filtra para obtener un voltaje de CC. El filtrado reduce la amplitud de la frecuencia de la red de CA presente en la salida del rectificador y puede ser tan simple como un solo condensador o más complejo como un filtro pi . La tolerancia de la carga eléctrica a la ondulación dicta la cantidad mínima de filtrado que debe proporcionar la fuente de alimentación. En algunas aplicaciones, la ondulación se puede ignorar por completo. Por ejemplo, en algunas aplicaciones de carga de baterías, la fuente de alimentación consta solo de un transformador y un diodo, con una resistencia simple colocada en la salida de la fuente de alimentación para limitar la corriente de carga.
En una fuente de alimentación conmutada (SMPS), la entrada de la red de CA se rectifica directamente y luego se filtra para obtener un voltaje de CC. El voltaje de CC resultante se enciende y se apaga a una alta frecuencia mediante un circuito de conmutación electrónico, lo que produce una corriente de CA que pasará a través de un transformador o inductor de alta frecuencia . La conmutación se produce a una frecuencia muy alta (normalmente de 10 kHz a 1 MHz), lo que permite el uso de transformadores y condensadores de filtro que son mucho más pequeños, ligeros y menos costosos que los que se encuentran en las fuentes de alimentación lineales que funcionan a la frecuencia de la red. Después del inductor o del secundario del transformador, la CA de alta frecuencia se rectifica y se filtra para producir el voltaje de salida de CC. Si la SMPS utiliza un transformador de alta frecuencia adecuadamente aislado, la salida estará aislada eléctricamente de la red; esta característica suele ser esencial para la seguridad.
Las fuentes de alimentación conmutadas suelen estar reguladas y, para mantener constante el voltaje de salida, la fuente de alimentación emplea un controlador de retroalimentación que monitorea la corriente que consume la carga. El ciclo de trabajo de conmutación aumenta a medida que aumentan los requisitos de potencia de salida.
Las fuentes de alimentación conmutadas suelen incluir funciones de seguridad, como limitación de corriente o un circuito de protección , para ayudar a proteger el dispositivo y al usuario de daños. [1] En caso de que se detecte un consumo de energía anormalmente alto, la fuente de alimentación conmutada puede suponer que se trata de un cortocircuito directo y se apagará antes de que se produzcan daños. Las fuentes de alimentación de PC suelen proporcionar una señal de alimentación correcta a la placa base; la ausencia de esta señal impide el funcionamiento cuando hay voltajes de suministro anormales.
Algunas fuentes de alimentación conmutadas tienen un límite absoluto en su salida de corriente mínima. [2] Solo pueden generar por encima de un cierto nivel de potencia y no pueden funcionar por debajo de ese punto. En una condición sin carga, la frecuencia del circuito de corte de potencia aumenta a gran velocidad, lo que hace que el transformador aislado actúe como una bobina de Tesla , lo que provoca daños debido a los picos de potencia de voltaje muy alto resultantes. Las fuentes de alimentación en modo conmutado con circuitos de protección pueden encenderse brevemente, pero luego apagarse cuando no se detecta carga. Se puede conectar a la fuente una carga ficticia de baja potencia muy pequeña , como una resistencia de potencia de cerámica o una bombilla de 10 vatios, para permitir que funcione sin carga primaria adjunta.
Las fuentes de alimentación conmutadas que se utilizan en los ordenadores siempre han tenido factores de potencia bajos y también han sido fuentes importantes de interferencias en la línea (debido a armónicos y transitorios inducidos en la línea eléctrica). En las fuentes de alimentación conmutadas sencillas, la etapa de entrada puede distorsionar la forma de onda del voltaje de la línea, lo que puede afectar negativamente a otras cargas (y dar como resultado una mala calidad de la energía para otros clientes de la empresa de servicios públicos) y provocar un calentamiento innecesario de los cables y los equipos de distribución. Además, los clientes incurren en facturas de electricidad más altas cuando operan con cargas con factores de potencia más bajos. Para evitar estos problemas, algunas fuentes de alimentación conmutadas para ordenadores realizan una corrección del factor de potencia y pueden emplear filtros de entrada o etapas de conmutación adicionales para reducir las interferencias en la línea.
Una fuente de alimentación capacitiva (fuente de alimentación sin transformador) utiliza la reactancia de un condensador para reducir el voltaje de la red a un voltaje de CA más pequeño. Normalmente, el voltaje de CA reducido resultante se rectifica, se filtra y se regula para producir un voltaje de salida de CC constante.
La tensión de salida no está aislada de la red eléctrica. Por lo tanto, para evitar exponer a personas y equipos a altas tensiones peligrosas, todo lo que esté conectado a la fuente de alimentación debe estar aislado de manera confiable.
El condensador de reducción de tensión debe soportar toda la tensión de la red y también debe tener la capacidad suficiente para soportar la corriente de carga máxima a la tensión de salida nominal. En conjunto, estas limitaciones limitan los usos prácticos de este tipo de fuente de alimentación a aplicaciones de baja potencia.
La función de un regulador de voltaje lineal es convertir un voltaje de CC variable en un voltaje de CC más bajo, constante y a menudo específico. Además, suelen proporcionar una función de limitación de corriente para proteger la fuente de alimentación y la carga de la sobrecorriente (corriente excesiva y potencialmente destructiva).
En muchas aplicaciones de suministro de energía se requiere un voltaje de salida constante, pero el voltaje proporcionado por muchas fuentes de energía variará con los cambios en la impedancia de carga. Además, cuando una fuente de energía de CC no regulada es la fuente de energía, su voltaje de salida también variará con el cambio de voltaje de entrada. Para evitar esto, algunas fuentes de alimentación utilizan un regulador de voltaje lineal para mantener el voltaje de salida en un valor constante, independientemente de las fluctuaciones en el voltaje de entrada y la impedancia de carga. Los reguladores lineales también pueden reducir la magnitud de la ondulación y el ruido en el voltaje de salida.
Una fuente de alimentación de CA normalmente toma el voltaje de una toma de corriente de pared ( red eléctrica ) y utiliza un transformador para aumentar o reducir el voltaje hasta el voltaje deseado. También puede haber algún filtrado. En algunos casos, el voltaje de la fuente es el mismo que el voltaje de salida; esto se llama transformador de aislamiento . Otros transformadores de fuente de alimentación de CA no proporcionan aislamiento de la red eléctrica; estos se denominan autotransformadores ; un autotransformador de salida variable se conoce como variac . Otros tipos de fuentes de alimentación de CA están diseñados para proporcionar una corriente casi constante , y el voltaje de salida puede variar según la impedancia de la carga. En los casos en que la fuente de alimentación es de corriente continua (como una batería de almacenamiento de automóvil), se puede utilizar un inversor y un transformador elevador para convertirla en energía de CA. La energía de CA portátil puede ser proporcionada por un alternador alimentado por un motor diésel o de gasolina (por ejemplo, en un sitio de construcción, en un automóvil o barco, o generación de energía de respaldo para servicios de emergencia) cuya corriente pasa a un circuito regulador para proporcionar un voltaje constante en la salida. Algunos tipos de conversión de energía de CA no utilizan un transformador. Si el voltaje de salida y el voltaje de entrada son iguales y el propósito principal del dispositivo es filtrar la energía de CA, se lo puede llamar acondicionador de línea . Si el dispositivo está diseñado para proporcionar energía de respaldo, se lo puede llamar fuente de alimentación ininterrumpida . Se puede diseñar un circuito con una topología de multiplicador de voltaje para aumentar directamente la energía de CA; anteriormente, una aplicación de este tipo era un receptor de CA/CC de tubo de vacío .
En la actualidad, las fuentes de alimentación de CA se pueden dividir en sistemas monofásicos y trifásicos . Las fuentes de alimentación de CA también se pueden utilizar para cambiar la frecuencia y el voltaje; los fabricantes las utilizan a menudo para comprobar la idoneidad de sus productos para su uso en otros países. 230 V 50 Hz o 115 60 Hz o incluso 400 Hz para pruebas de aviónica.
Un adaptador de CA es una fuente de alimentación integrada en un enchufe de alimentación de CA. Los adaptadores de CA también se conocen con otros nombres, como "paquete de enchufes" o "adaptador enchufable", o con términos del argot como "adaptador de pared". Los adaptadores de CA suelen tener una única salida de CA o CC que se transmite a través de un cable cableado a un conector, pero algunos adaptadores tienen múltiples salidas que pueden transmitirse a través de uno o más cables. Los adaptadores de CA "universales" tienen conectores de entrada intercambiables para adaptarse a diferentes voltajes de la red de CA.
Los adaptadores con salidas de CA pueden constar únicamente de un transformador pasivo ; en el caso de la salida de CC, los adaptadores constan de un transformador con algunos diodos y condensadores o pueden emplear circuitos de alimentación conmutados. Los adaptadores de CA consumen energía (y producen campos eléctricos y magnéticos) incluso cuando no están conectados a una carga; por este motivo, a veces se los conoce como "vampiros de la electricidad" y se pueden conectar a regletas de enchufes para poder encenderlos y apagarlos cómodamente.
Una fuente de alimentación programable (PPS) es aquella que permite el control remoto de su funcionamiento a través de una entrada analógica o una interfaz digital como RS-232 o GPIB . Las propiedades controladas pueden incluir voltaje, corriente y, en el caso de las fuentes de alimentación de salida de CA, frecuencia. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las pruebas de equipos automatizados, el monitoreo del crecimiento de cristales , la fabricación de semiconductores y los generadores de rayos X.
Las fuentes de alimentación programables suelen emplear una microcomputadora integrada para controlar y supervisar el funcionamiento de la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación equipadas con una interfaz de computadora pueden utilizar protocolos de comunicación propietarios o protocolos estándar y lenguajes de control de dispositivos como SCPI .
Un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) toma su energía de dos o más fuentes simultáneamente. Normalmente se alimenta directamente de la red de CA, mientras se carga simultáneamente una batería de almacenamiento. Si se produce una interrupción o un fallo de la red, la batería se hace cargo instantáneamente, de modo que la carga nunca sufre una interrupción. En este caso, "instantáneamente" se debe definir como la velocidad de la electricidad dentro de los conductores, que es algo cercana a la velocidad de la luz. Esa definición es importante porque la transmisión de datos y servicios de comunicaciones de alta velocidad debe tener continuidad/NO interrupción de ese servicio. Algunos fabricantes utilizan un estándar cuasi de 4 milisegundos. Sin embargo, con datos de alta velocidad, incluso 4 ms de tiempo en la transición de una fuente a otra no es lo suficientemente rápido. La transición debe realizarse en un método de interrupción antes de la conexión. El SAI que cumple ese requisito se conoce como SAI real o SAI híbrido. El tiempo que proporcionará el SAI se basa en la mayoría de los casos en baterías y en combinación con generadores. Ese tiempo puede variar desde un mínimo de 5 a 15 minutos hasta horas o incluso días. En muchas instalaciones informáticas, las baterías sólo tienen el tiempo suficiente para que los operadores puedan apagar el sistema de forma ordenada. Otros sistemas de SAI pueden utilizar un motor de combustión interna o una turbina para suministrar energía durante un corte de suministro eléctrico y la duración de la batería depende entonces del tiempo que tarda el generador en estar en línea y de la criticidad del equipo al que alimenta. Este tipo de sistemas se encuentran en hospitales, centros de datos, centros de llamadas, estaciones de telefonía celular y centrales telefónicas.
Una fuente de alimentación de alto voltaje es aquella que produce cientos o miles de voltios. Se utiliza un conector de salida especial que evita la formación de arcos eléctricos , la rotura del aislamiento y el contacto humano accidental. Los conectores estándar federales se utilizan normalmente para aplicaciones superiores a 20 kV, aunque se pueden utilizar otros tipos de conectores (por ejemplo, el conector SHV ) a voltajes más bajos. Algunas fuentes de alimentación de alto voltaje proporcionan una entrada analógica o una interfaz de comunicación digital que se puede utilizar para controlar el voltaje de salida. Las fuentes de alimentación de alto voltaje se utilizan habitualmente para acelerar y manipular haces de electrones e iones en equipos como generadores de rayos X , microscopios electrónicos y columnas de haces de iones enfocados , y en una variedad de otras aplicaciones, incluidas la electroforesis y la electrostática .
Las fuentes de alimentación de alto voltaje suelen aplicar la mayor parte de su energía de entrada a un inversor de potencia , que a su vez acciona un multiplicador de voltaje o un transformador de alto voltaje de alta relación de vueltas, o ambos (normalmente un transformador seguido de un multiplicador) para producir alto voltaje. El alto voltaje sale de la fuente de alimentación a través del conector especial y también se aplica a un divisor de voltaje que lo convierte en una señal de medición de bajo voltaje compatible con los circuitos de bajo voltaje. La señal de medición es utilizada por un controlador de bucle cerrado que regula el alto voltaje controlando la potencia de entrada del inversor, y también puede ser transmitida fuera de la fuente de alimentación para permitir que los circuitos externos controlen la salida de alto voltaje.
Una fuente de alimentación bipolar opera en los cuatro cuadrantes del plano cartesiano de voltaje/corriente , lo que significa que generará voltajes y corrientes positivos y negativos según sea necesario para mantener la regulación. [3] Cuando su salida está controlada por una señal analógica de bajo nivel, es efectivamente un amplificador operacional de bajo ancho de banda con alta potencia de salida y cruces por cero sin interrupciones. Este tipo de fuente de alimentación se usa comúnmente para alimentar dispositivos magnéticos en aplicaciones científicas. [ ejemplo necesario ]
La idoneidad de una fuente de alimentación en particular para una aplicación está determinada por diversos atributos de la fuente de alimentación, que normalmente se enumeran en la especificación de la fuente de alimentación . Los atributos que se especifican comúnmente para una fuente de alimentación incluyen:
Abreviaturas comúnmente utilizadas en las especificaciones de suministro de energía:
La fuente de alimentación de un sistema eléctrico tiende a generar calor. Cuanto mayor sea la eficiencia, menos calor generará la fuente de alimentación. Existen muchas formas de gestionar el calor de una unidad de fuente de alimentación. Los tipos de refrigeración generalmente se dividen en dos categorías: convección y conducción . Los métodos de convección más comunes para enfriar fuentes de alimentación electrónicas incluyen el flujo de aire natural, el flujo de aire forzado u otro flujo de líquido sobre la unidad. Los métodos de refrigeración por conducción más comunes incluyen disipadores de calor , placas frías y compuestos térmicos.
Las fuentes de alimentación suelen tener protección contra cortocircuitos o sobrecargas que podrían dañar la fuente o provocar un incendio. Los fusibles y los disyuntores son dos mecanismos de uso común para la protección contra sobrecargas. [4]
Un fusible contiene un pequeño trozo de cable que se funde si fluye demasiada corriente. Esto desconecta efectivamente la fuente de alimentación de su carga y el equipo deja de funcionar hasta que se identifica el problema que causó la sobrecarga y se reemplaza el fusible. Algunas fuentes de alimentación utilizan un enlace de cable muy delgado soldado en su lugar como fusible. Los fusibles de las unidades de fuente de alimentación pueden ser reemplazados por el usuario final, pero los fusibles de los equipos de consumo pueden requerir herramientas para acceder y cambiarlos.
Un disyuntor contiene un elemento que se calienta, se dobla y activa un resorte que apaga el circuito. Una vez que el elemento se enfría y se identifica el problema, se puede restablecer el disyuntor y restablecer la energía.
Algunas fuentes de alimentación utilizan un disyuntor térmico enterrado en el transformador en lugar de un fusible. La ventaja es que permite consumir más corriente durante un tiempo limitado de la que la unidad puede suministrar de forma continua. Algunos de estos disyuntores se reinician automáticamente, mientras que otros son de un solo uso.
Algunas fuentes utilizan limitación de corriente en lugar de cortar la alimentación si se sobrecargan. Los dos tipos de limitación de corriente que se utilizan son la limitación electrónica y la limitación de impedancia. La primera es común en las fuentes de alimentación de laboratorio, la segunda es común en las fuentes de alimentación de menos de 3 vatios de salida.
Un limitador de corriente de retroceso reduce la corriente de salida a un valor mucho menor que la corriente máxima sin falla.
Las fuentes de alimentación son un componente fundamental de muchos dispositivos electrónicos y, por lo tanto, se utilizan en una amplia gama de aplicaciones. Esta lista es una pequeña muestra de las numerosas aplicaciones de las fuentes de alimentación.
Una fuente de alimentación de ordenador moderna es una fuente de alimentación conmutada que convierte la corriente alterna de la red eléctrica en varios voltajes de corriente continua. Las fuentes conmutadas sustituyeron a las fuentes lineales debido a mejoras en cuanto a coste, peso, eficiencia y tamaño. La diversa colección de voltajes de salida también tiene requisitos de consumo de corriente muy variables.
Los vehículos eléctricos son aquellos que dependen de la energía generada mediante la generación de electricidad. Una unidad de suministro de energía es parte del diseño necesario para convertir la energía de alto voltaje de la batería del vehículo.
La soldadura por arco utiliza electricidad para unir metales fundiéndolos. La electricidad es proporcionada por una fuente de alimentación para soldadura y puede ser CA o CC . La soldadura por arco requiere corrientes altas, normalmente entre 100 y 350 amperios . Algunos tipos de soldadura pueden utilizar tan solo 10 amperios, mientras que algunas aplicaciones de soldadura por puntos emplean corrientes de hasta 60.000 amperios durante un tiempo extremadamente corto. Las fuentes de alimentación para soldadura consistían en transformadores o motores que impulsaban generadores ; los equipos de soldadura modernos utilizan semiconductores y pueden incluir control por microprocesador .
Tanto los sistemas de aviónica comerciales como los militares requieren una fuente de alimentación CC-CC o CA/CC para convertir la energía en voltaje utilizable. Estos sistemas suelen funcionar a 400 Hz para ahorrar peso.
Esto se refiere a transportadores, líneas de montaje, lectores de códigos de barras, cámaras, motores, bombas, fabricación de productos semielaborados y más.
Estos incluyen ventiladores, bombas de infusión, instrumentos quirúrgicos y dentales, equipos de imágenes y camas.
