Una fuente de alimentación de modo conmutado ( SMPS ), también llamada fuente de alimentación conmutada , fuente de alimentación conmutada , fuente de alimentación conmutada o simplemente conmutador , es una fuente de alimentación electrónica que incorpora un regulador de conmutación para convertir la energía eléctrica de manera eficiente .
Al igual que otras fuentes de alimentación, una SMPS transfiere energía desde una fuente de CC o CA (a menudo, red eléctrica , consulte adaptador de CA ) a cargas de CC, como una computadora personal , mientras convierte las características de voltaje y corriente . A diferencia de una fuente de alimentación lineal , el transistor de paso de una fuente de modo conmutado cambia continuamente entre estados de baja disipación , encendido total y apagado total, y pasa muy poco tiempo en las transiciones de alta disipación, lo que minimiza el desperdicio de energía. Una hipotética fuente de alimentación ideal en modo conmutado no disipa energía. La regulación de voltaje se logra variando la relación entre el tiempo de encendido y apagado (también conocido como ciclos de trabajo ). Por el contrario, una fuente de alimentación lineal regula el voltaje de salida disipando continuamente energía en el transistor de paso . La mayor eficiencia eléctrica de la fuente de alimentación conmutada es una ventaja importante.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado también pueden ser sustancialmente más pequeñas y livianas que una fuente lineal porque el transformador puede ser mucho más pequeño. Esto se debe a que funciona a una alta frecuencia de conmutación que oscila entre varios cientos de kHz y varios MHz, a diferencia de la frecuencia de red de 50 o 60 Hz . A pesar del tamaño reducido del transformador, la topología de la fuente de alimentación y el requisito de supresión de interferencias electromagnéticas (EMI) en los diseños comerciales dan como resultado un número de componentes generalmente mucho mayor y la correspondiente complejidad del circuito.
Los reguladores de conmutación se utilizan como reemplazo de los reguladores lineales cuando se requiere mayor eficiencia, menor tamaño o menor peso. Sin embargo, son más complicados; Las corrientes de conmutación pueden causar problemas de ruido eléctrico si no se suprimen cuidadosamente, y los diseños simples pueden tener un factor de potencia deficiente .
Una fuente de alimentación lineal (no SMPS) utiliza un regulador lineal para proporcionar el voltaje de salida deseado disipando potencia en pérdidas óhmicas (por ejemplo, en una resistencia o en la región colector-emisor de un transistor de paso en su modo activo). Un regulador lineal regula el voltaje de salida o la corriente disipando la energía eléctrica en forma de calor y, por lo tanto, su máxima eficiencia energética es voltaje de salida/voltaje de entrada, ya que se desperdicia la diferencia de voltios.
Por el contrario, un SMPS cambia el voltaje y la corriente de salida al conmutar, idealmente, elementos de almacenamiento sin pérdidas, como inductores y condensadores , entre diferentes configuraciones eléctricas. Los elementos de conmutación ideales (aproximados por transistores operados fuera de su modo activo) no tienen resistencia cuando están "encendidos" y no transportan corriente cuando están "apagados", por lo que los convertidores con componentes ideales operarían con 100% de eficiencia (es decir, toda la potencia de entrada se entrega a la carga; no se desperdicia energía en forma de calor disipado). En realidad, estos componentes ideales no existen, por lo que una fuente de alimentación conmutada no puede ser 100% eficiente, pero sigue siendo una mejora significativa en la eficiencia con respecto a un regulador lineal.
Por ejemplo, si una fuente de CC, un inductor, un interruptor y la tierra eléctrica correspondiente se colocan en serie y el interruptor es accionado por una onda cuadrada , el voltaje pico a pico de la forma de onda medida a través del interruptor puede exceder el voltaje de entrada de la fuente de CC. Esto se debe a que el inductor responde a los cambios en la corriente induciendo su propio voltaje para contrarrestar el cambio en la corriente, y este voltaje se suma al voltaje de la fuente mientras el interruptor está abierto. Si se coloca una combinación de diodo y capacitor en paralelo al interruptor, el voltaje máximo se puede almacenar en el capacitor y el capacitor se puede usar como fuente de CC con un voltaje de salida mayor que el voltaje de CC que impulsa el circuito. Este convertidor elevador actúa como un transformador elevador para señales de CC. Un convertidor reductor-elevador funciona de manera similar, pero produce un voltaje de salida que tiene polaridad opuesta al voltaje de entrada. Existen otros circuitos reductores para aumentar la corriente de salida promedio con una reducción de voltaje.
En un SMPS, el flujo de corriente de salida depende de la señal de potencia de entrada, los elementos de almacenamiento y las topologías de circuito utilizados, y también del patrón utilizado (por ejemplo, modulación de ancho de pulso con un ciclo de trabajo ajustable ) para controlar los elementos de conmutación. La densidad espectral de estas formas de onda de conmutación tiene energía concentrada en frecuencias relativamente altas. Como tal, los transitorios de conmutación y la ondulación introducida en las formas de onda de salida se pueden filtrar con un pequeño filtro LC .
La principal ventaja de la fuente de alimentación conmutada es una mayor eficiencia ( hasta 96% ) y una menor generación de calor que los reguladores lineales porque el transistor de conmutación disipa poca energía cuando actúa como interruptor.
Otras ventajas incluyen un tamaño más pequeño y un peso más ligero gracias a la eliminación de transformadores de frecuencia de línea pesados y costosos. La pérdida de energía en modo de espera suele ser mucho menor que la de los transformadores.
Las desventajas incluyen una mayor complejidad, la generación de energía de alta amplitud y alta frecuencia que el filtro de paso bajo debe bloquear para evitar interferencias electromagnéticas (EMI), un voltaje de ondulación en la frecuencia de conmutación y sus frecuencias armónicas .
Los SMPS de muy bajo costo pueden acoplar el ruido de conmutación eléctrica nuevamente a la línea de alimentación principal, causando interferencias con dispositivos conectados a la misma fase, como equipos de A/V. Los SMPS sin factor de potencia corregido también causan distorsión armónica.
Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas disponibles: SMPS y lineal. La siguiente tabla compara las fuentes de alimentación lineales con las conmutadas en general:
Si el SMPS tiene una entrada de CA, entonces la primera etapa es convertir la entrada a CC. Esto se llama " rectificación ". Un SMPS con entrada de CC no requiere esta etapa. En algunas fuentes de alimentación (principalmente fuentes de alimentación ATX para computadoras ), el circuito rectificador se puede configurar como un duplicador de voltaje agregando un interruptor que se opera de forma manual o automática. Esta característica permite el funcionamiento desde fuentes de alimentación que normalmente son de 115 VCA o 230 VCA. El rectificador produce un voltaje CC no regulado que luego se envía a un condensador de filtro grande. La corriente extraída de la red eléctrica por este circuito rectificador se produce en pulsos cortos alrededor de los picos de voltaje de CA. Estos pulsos tienen una energía significativa de alta frecuencia que reduce el factor de potencia. Para corregir esto, muchos SMPS más nuevos utilizarán un circuito especial de corrección del factor de potencia (PFC) para hacer que la corriente de entrada siga la forma sinusoidal del voltaje de entrada de CA, corrigiendo el factor de potencia. Las fuentes de alimentación que utilizan PFC activo generalmente tienen rango automático y admiten voltajes de entrada de ~100 VCA a 250 VCA , sin interruptor selector de voltaje de entrada.
Un SMPS diseñado para entrada de CA generalmente se puede ejecutar desde un suministro de CC, porque la CC pasaría a través del rectificador sin cambios. [34] Si la fuente de alimentación está diseñada para 115 VCA y no tiene interruptor selector de voltaje, el voltaje de CC requerido sería 163 VCC (115 × √2). Sin embargo, este tipo de uso puede ser perjudicial para la etapa rectificadora, ya que solo utilizará la mitad de los diodos del rectificador para la carga completa. Esto podría provocar un sobrecalentamiento de estos componentes, provocando que fallen prematuramente. Por otro lado, si la fuente de alimentación tiene un interruptor selector de voltaje, basado en el circuito Delon , para 115/230 V (las fuentes de alimentación ATX para computadora generalmente están en esta categoría), el interruptor selector tendría que colocarse en la tensión de 230 V. posición, y el voltaje requerido sería 325 VCC (230 × √2). Los diodos en este tipo de fuente de alimentación manejarán bien la corriente CC porque están clasificados para manejar el doble de la corriente de entrada nominal cuando se operan en el modo de 115 V , debido a la operación del duplicador de voltaje. Esto se debe a que el duplicador, cuando está en funcionamiento, utiliza sólo la mitad del puente rectificador y hace pasar el doble de corriente a través de él. [35]
La etapa inversora convierte CC, ya sea directamente desde la entrada o desde la etapa rectificadora descrita anteriormente, en CA haciéndola pasar a través de un oscilador de potencia, cuyo transformador de salida es muy pequeño y con pocos devanados, a una frecuencia de decenas o cientos de kilohercios . La frecuencia generalmente se elige por encima de 20 kHz, para que sea inaudible para los humanos. La conmutación se implementa como un amplificador MOSFET de múltiples etapas (para lograr una alta ganancia) . Los MOSFET son un tipo de transistor con baja resistencia de encendido y alta capacidad de manejo de corriente.
Si se requiere aislar la salida de la entrada, como suele ser el caso en las fuentes de alimentación de red, la CA invertida se utiliza para accionar el devanado primario de un transformador de alta frecuencia . Esto convierte el voltaje hacia arriba o hacia abajo al nivel de salida requerido en su devanado secundario. El transformador de salida en el diagrama de bloques sirve para este propósito.
Si se requiere una salida de CC, se rectifica la salida de CA del transformador. Para voltajes de salida superiores a diez voltios aproximadamente, se utilizan comúnmente diodos de silicio ordinarios. Para voltajes más bajos, los diodos Schottky se usan comúnmente como elementos rectificadores; Tienen las ventajas de tiempos de recuperación más rápidos que los diodos de silicio (lo que permite un funcionamiento con bajas pérdidas a frecuencias más altas) y una menor caída de voltaje durante la conducción. Para voltajes de salida aún más bajos, los MOSFET se pueden utilizar como rectificadores síncronos ; En comparación con los diodos Schottky, estos tienen caídas de tensión en el estado de conducción aún menores.
La salida rectificada luego se suaviza mediante un filtro que consta de inductores y condensadores . Para frecuencias de conmutación más altas, se necesitan componentes con menor capacitancia e inductancia.
Las fuentes de alimentación más simples y no aisladas contienen un inductor en lugar de un transformador. Este tipo incluye convertidores elevadores , convertidores reductores y convertidores reductores-elevadores . Estos pertenecen a la clase más simple de convertidores de entrada y salida única que utilizan un inductor y un interruptor activo. El convertidor reductor reduce el voltaje de entrada en proporción directa a la relación entre el tiempo de conducción y el período de conmutación total, llamado ciclo de trabajo. Por ejemplo, un convertidor reductor ideal con una entrada de 10 V que funcione con un ciclo de trabajo del 50% producirá un voltaje de salida promedio de 5 V. Se emplea un circuito de control de retroalimentación para regular el voltaje de salida variando el ciclo de trabajo para compensar las variaciones en voltaje de entrada. El voltaje de salida de un convertidor elevador siempre es mayor que el voltaje de entrada y el voltaje de salida reductor-elevador está invertido pero puede ser mayor, igual o menor que la magnitud de su voltaje de entrada. Existen muchas variaciones y extensiones de esta clase de convertidores, pero estos tres forman la base de casi todos los convertidores de CC a CC aislados y no aislados. Añadiendo un segundo inductor se pueden implementar los convertidores Ćuk y SEPIC o, añadiendo interruptores activos adicionales, se pueden realizar varios convertidores puente.
Otros tipos de SMPS utilizan un condensador - multiplicador de voltaje de diodo en lugar de inductores y transformadores. Se utilizan principalmente para generar altos voltajes con bajas corrientes ( generador Cockcroft-Walton ). La variante de bajo voltaje se llama bomba de carga .
Un circuito de retroalimentación monitorea el voltaje de salida y lo compara con un voltaje de referencia. Dependiendo de los requisitos de diseño y seguridad, el controlador puede contener un mecanismo de aislamiento (como un optoacoplador ) para aislarlo de la salida de CC. Los suministros de conmutación en computadoras, televisores y videograbadoras tienen estos optoacopladores para controlar estrictamente el voltaje de salida.
Los reguladores de circuito abierto no tienen circuito de retroalimentación. En cambio, dependen de alimentar un voltaje constante a la entrada del transformador o inductor y asumen que la salida será correcta. Los diseños regulados compensan la impedancia del transformador o bobina. Los diseños monopolares también compensan la histéresis magnética del núcleo.
El circuito de retroalimentación necesita energía para funcionar antes de poder generar energía, por lo que se agrega una fuente de alimentación adicional sin conmutación para el modo de espera.
Cualquier fuente de alimentación de modo conmutado que obtenga su energía de una línea de alimentación de CA (llamada convertidor "fuera de línea" [36] ) requiere un transformador para aislamiento galvánico . [ cita necesaria ] Algunos convertidores de CC a CC también pueden incluir un transformador, aunque el aislamiento puede no ser crítico en estos casos. Los transformadores SMPS funcionan a altas frecuencias. La mayor parte del ahorro de costes (y de espacio) en las fuentes de alimentación fuera de línea se debe al menor tamaño del transformador de alta frecuencia en comparación con los transformadores de 50/60 Hz utilizados anteriormente. Hay compensaciones de diseño adicionales. [37]
El voltaje terminal de un transformador es proporcional al producto del área del núcleo, el flujo magnético y la frecuencia. Al utilizar una frecuencia mucho más alta, el área del núcleo (y por tanto la masa del núcleo) se puede reducir considerablemente. Sin embargo, las pérdidas en el núcleo aumentan a frecuencias más altas. Los núcleos generalmente utilizan material de ferrita que tiene bajas pérdidas a las altas frecuencias y altas densidades de flujo utilizadas. Los núcleos de hierro laminado de los transformadores de baja frecuencia (<400 Hz) tendrían pérdidas inaceptables en frecuencias de conmutación de unos pocos kilohercios. Además, se pierde más energía durante las transiciones del semiconductor de conmutación a frecuencias más altas. Además, se requiere más atención al diseño físico de la placa de circuito a medida que los parásitos se vuelven más significativos y la cantidad de interferencia electromagnética será más pronunciada.
En frecuencias bajas (como la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz), los diseñadores normalmente pueden ignorar el efecto piel . Para estas frecuencias, el efecto piel sólo es significativo cuando los conductores son grandes, de más de 7,6 mm (0,3 pulgadas) de diámetro.
Al cambiar las fuentes de alimentación se debe prestar más atención al efecto piel porque es una fuente de pérdida de energía. A 500 kHz, la profundidad de la piel en el cobre es de aproximadamente 0,003 pulgadas (0,076 mm), una dimensión más pequeña que los cables típicos utilizados en una fuente de alimentación. La resistencia efectiva de los conductores aumenta porque la corriente se concentra cerca de la superficie del conductor y la porción interior transporta menos corriente que a bajas frecuencias.
El efecto de piel se ve exacerbado por los armónicos presentes en las formas de onda de conmutación de modulación de ancho de pulso (PWM) de alta velocidad . La profundidad de piel adecuada no es sólo la profundidad de la fundamental, sino también la profundidad de la piel en los armónicos. [38]
Además del efecto piel, también existe un efecto de proximidad , que es otra fuente de pérdida de energía.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado fuera de línea simples incorporan un rectificador de onda completa simple conectado a un capacitor de almacenamiento de energía grande. Estos SMPS extraen corriente de la línea de CA en pulsos cortos cuando el voltaje instantáneo de la red excede el voltaje a través de este capacitor. Durante la parte restante del ciclo de CA, el condensador proporciona energía a la fuente de alimentación.
Como resultado, la corriente de entrada de tales fuentes de alimentación de modo conmutado básico tiene un alto contenido de armónicos y un factor de potencia relativamente bajo. Esto crea una carga adicional en las líneas de servicios públicos, aumenta el calentamiento del cableado del edificio, los transformadores de servicios públicos y los motores eléctricos de CA estándar, y puede causar problemas de estabilidad en algunas aplicaciones, como en sistemas de generadores de emergencia o generadores de aviones. Los armónicos se pueden eliminar mediante filtración, pero los filtros son caros. A diferencia del factor de potencia de desplazamiento creado por cargas lineales inductivas o capacitivas, esta distorsión no se puede corregir añadiendo un solo componente lineal. Se necesitan circuitos adicionales para contrarrestar el efecto de los breves impulsos de corriente. Colocar una etapa de corte de refuerzo regulada por corriente después del rectificador fuera de línea (para cargar el capacitor de almacenamiento) puede corregir el factor de potencia, pero aumenta la complejidad y el costo.
En 2001, la Unión Europea puso en vigor la norma IEC 61000-3-2 para establecer límites a los armónicos de la corriente de entrada de CA hasta el armónico 40 para equipos superiores a 75 W. La norma define cuatro clases de equipos según su tipo. y forma de onda actual. Los límites más rigurosos (clase D) se establecen para ordenadores personales, monitores de ordenador y receptores de televisión. Para cumplir con estos requisitos, las fuentes de alimentación de modo conmutado modernas normalmente incluyen una etapa adicional de corrección del factor de potencia (PFC).
Las fuentes de alimentación de modo conmutado se pueden clasificar según la topología del circuito. La distinción más importante es entre convertidores aislados y no aislados.
Los convertidores no aislados son los más simples; los tres tipos básicos utilizan un solo inductor para el almacenamiento de energía. En la columna de relación de voltaje, D es el ciclo de trabajo del convertidor y puede variar de 0 a 1. Se supone que el voltaje de entrada (V 1 ) es mayor que cero; si es negativo, por coherencia, niegue el voltaje de salida (V 2 ).
Cuando el equipo es accesible para humanos, se aplican límites de voltaje de ≤ 30 V (rms) CA o ≤ 42,4 V pico o ≤ 60 V CC y límites de potencia de 250 VA para la certificación de seguridad ( aprobación UL , CSA , VDE ).
Las topologías buck, boost y buck-boost están fuertemente relacionadas. Entrada, salida y tierra se unen en un punto. Uno de los tres pasa por un inductor en el camino, mientras que los otros dos pasan por interruptores. Uno de los dos interruptores debe estar activo (por ejemplo, un transistor), mientras que el otro puede ser un diodo. A veces, la topología se puede cambiar simplemente volviendo a etiquetar las conexiones. Un convertidor reductor de entrada de 12 V y salida de 5 V se puede convertir en un convertidor reductor de entrada de 7 V y salida de −5 V conectando a tierra la salida y tomando la salida del pin de tierra .
Asimismo, los convertidores SEPIC y Zeta son reordenamientos menores del convertidor Ćuk.
La topología de punto neutro fijado (NPC) se utiliza en fuentes de alimentación y filtros activos y se menciona aquí para que esté completa. [40]
Los conmutadores se vuelven menos eficientes a medida que los ciclos de trabajo se vuelven extremadamente cortos. Para grandes cambios de voltaje, una topología de transformador (aislada) puede ser mejor.
Todas las topologías aisladas incluyen un transformador y, por lo tanto, pueden producir una salida de voltaje mayor o menor que la entrada ajustando la relación de vueltas. [41] [42] Para algunas topologías, se pueden colocar múltiples devanados en el transformador para producir múltiples voltajes de salida. [43] Algunos convertidores utilizan el transformador para almacenar energía, mientras que otros utilizan un inductor independiente.
Controlador de helicóptero: el voltaje de salida está acoplado a la entrada, por lo que se controla de manera muy estricta.
En un interruptor cuasi-resonante de corriente cero/voltaje cero (ZCS/ZVS), "cada ciclo de interruptor entrega un 'paquete' cuantificado de energía a la salida del convertidor, y el encendido y apagado del interruptor ocurre con corriente y voltaje cero". , lo que resulta en un cambio esencialmente sin pérdidas". [47] La conmutación cuasi-resonante, también conocida como conmutación de valle , reduce la EMI en la fuente de alimentación mediante dos métodos:
Un voltaje de entrada más alto y un modo de rectificación síncrono hacen que el proceso de conversión sea más eficiente. También hay que tener en cuenta el consumo de energía del controlador. Una frecuencia de conmutación más alta permite reducir el tamaño de los componentes, pero puede producir más RFI . Un convertidor directo resonante produce la EMI más baja de cualquier enfoque SMPS porque utiliza una forma de onda resonante de conmutación suave en comparación con la conmutación dura convencional. [ cita necesaria ]
Los SMPS tienden a ser sensibles a la temperatura. Por cada 10-15 °C por encima de los 25 °C, la tasa de fallo se duplica. [48] La mayoría de las fallas pueden atribuirse a un diseño inadecuado y a una mala selección de componentes. [49]
Las fuentes de alimentación que utilizan condensadores que sufren la plaga de condensadores pueden experimentar fallas prematuras cuando la capacitancia cae al 4% del valor original. [ verificación fallida ] Esto generalmente hace que el semiconductor de conmutación falle de forma conductiva. Esto puede exponer las cargas conectadas a toda la tensión y corriente de entrada y precipitar oscilaciones salvajes en la salida. [50]
La falla del transistor de conmutación es común. Debido a los grandes voltajes de conmutación que este transistor debe manejar (alrededor de 325 V para una fuente de alimentación de 230 V CA sin factor de potencia corregido, de lo contrario generalmente alrededor de 390 V ), estos transistores a menudo provocan un cortocircuito, lo que a su vez corta inmediatamente la alimentación interna principal. fusible.
El condensador del filtro principal a menudo almacenará hasta 325 voltios mucho después de que se haya desconectado la alimentación de entrada. No todas las fuentes de alimentación contienen una pequeña resistencia de "purga" que descarga lentamente el condensador. El contacto con este condensador puede provocar una descarga eléctrica grave.
Los lados primario y secundario pueden conectarse con un capacitor para reducir la EMI y compensar varios acoplamientos capacitivos en el circuito convertidor, donde el transformador es uno. En algunos casos, esto puede provocar una descarga eléctrica. La corriente que fluye desde la línea o el neutro a través de una resistencia de 2 kΩ hasta cualquier parte accesible debe, según IEC 60950 , ser inferior a 250 μA para equipos de TI. [51]
Las unidades de fuente de alimentación (PSU) de modo conmutado en productos domésticos, como computadoras personales, a menudo tienen entradas universales, lo que significa que pueden aceptar energía de fuentes de alimentación de todo el mundo, aunque puede ser necesario un interruptor de rango de voltaje manual. Las fuentes de alimentación de modo conmutado pueden tolerar una amplia gama de frecuencias y voltajes de energía.
Debido a su gran volumen, los cargadores de teléfonos móviles siempre han sido especialmente sensibles a los costes. Los primeros cargadores eran fuentes de alimentación lineales , pero rápidamente pasaron a la rentable topología SMPS del convertidor de estrangulación de timbre (RCC), cuando se requerían nuevos niveles de eficiencia. Recientemente, la demanda de requisitos de energía sin carga aún más bajos en la aplicación ha significado que la topología flyback se esté utilizando más ampliamente; Los controladores flyback de detección del lado primario también ayudan a reducir la lista de materiales (BOM) al eliminar los componentes de detección del lado secundario, como los optoacopladores . [ cita necesaria ]
Las fuentes de alimentación de modo conmutado también se utilizan para la conversión de CC a CC. En vehículos pesados que utilizan un suministro de arranque nominal de 24 V CC , se pueden suministrar 12 V para accesorios a través de un suministro de modo conmutado CC/CC. Esto tiene la ventaja sobre tocar la batería en la posición de 12 V (usando la mitad de las celdas) de que toda la carga de 12 V se divide uniformemente entre todas las celdas de la batería de 24 V. En entornos industriales, como bastidores de telecomunicaciones, la energía en masa se puede distribuir a un voltaje de CC bajo (por ejemplo, desde un sistema de respaldo de batería) y los equipos individuales tendrán convertidores de modo conmutado CC/CC para suministrar los voltajes requeridos.
Un uso común de las fuentes de alimentación de modo conmutado es una fuente de voltaje extra bajo para iluminación. Para esta aplicación, a menudo se les denomina "transformadores electrónicos".
El término modo de conmutación se utilizó ampliamente hasta que Motorola reclamó la propiedad de la marca SWITCHMODE para productos destinados al mercado de fuentes de alimentación de modo conmutado y comenzó a hacer valer su marca. [36] La fuente de alimentación de modo conmutado , la fuente de alimentación conmutada y el regulador de conmutación se refieren a este tipo de fuente de alimentación. [36]
Medios relacionados con fuentes de alimentación de modo conmutado en Wikimedia Commons
