Una fuente de alimentación es un dispositivo eléctrico que suministra energía eléctrica a una carga eléctrica . El objetivo principal de una fuente de alimentación es convertir la corriente eléctrica de una fuente al voltaje , corriente y frecuencia correctos para alimentar la carga. Como resultado, las fuentes de alimentación a veces se denominan convertidores de potencia eléctrica . Algunas fuentes de alimentación son equipos independientes y separados, mientras que otras están integradas en los aparatos 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, cortar la corriente en caso de una falla eléctrica , acondicionamiento de energía para evitar que el ruido electrónico o las sobretensiones en la entrada lleguen a la carga , corrección de factor y almacenamiento de energía para que pueda continuar alimentando la carga en caso de una interrupción temporal en la fuente de alimentación ( fuente 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 un tomacorriente , dispositivos de almacenamiento de energía como baterías o celdas de combustible , generadores o alternadores , convertidores de energía solar u otra fuente de energía. La entrada y la salida suelen ser conexiones de circuitos cableadas, 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 según 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 su 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 mediante una entrada de control, o ambos. Una fuente de alimentación regulada ajustable es aquella que es a la vez ajustable y regulada. Una fuente de alimentación aislada tiene una salida de energía que es eléctricamente independiente de su entrada de energía; esto contrasta con otras fuentes de alimentación que comparten una conexión común entre la entrada y salida de energía.
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 sólo una carcasa mecánica parcial, que a veces consta únicamente de una base de montaje; Por lo general, estos están integrados en maquinaria u otros equipos. Las fuentes de alimentación de montaje en bastidor están diseñadas para fijarse en bastidores de equipos electrónicos estándar. Una fuente de alimentación integrada es aquella 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 conecta a un tomacorriente de pared; Una verruga de pared es un suministro externo integrado con el propio enchufe. Son populares en la electrónica de consumo debido a su seguridad; La peligrosa corriente principal 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 términos generales en tipos lineales y de conmutación . Los convertidores de potencia lineal procesan la potencia de entrada directamente, con todos los componentes activos de conversión de potencia operando en sus regiones operativas lineales. En los convertidores de potencia conmutados, la potencia de entrada se convierte en pulsos de CA o CC antes del procesamiento, mediante componentes que operan predominantemente en modos no lineales (por ejemplo, transistores que pasan la mayor parte de su tiempo en corte o saturación). La energía 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 regiones operativas lineales.
Una fuente de alimentación de CA a CC funciona con un voltaje de entrada de CA y genera un voltaje de salida de CC. Dependiendo de 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 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 filtra para obtener un voltaje de CC. El filtrado reduce la amplitud de la frecuencia de la red eléctrica de CA presente en la salida del rectificador y puede ser tan simple como un solo capacitor o más complejo como un filtro pi . La tolerancia de ondulación de la carga eléctrica 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 únicamente 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 de modo conmutado (SMPS), la entrada de la red eléctrica de CA se rectifica directamente y luego se filtra para obtener un voltaje de CC. El voltaje de CC resultante luego se enciende y apaga a alta frecuencia mediante un circuito de conmutación electrónico, produciendo así 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 10 kHz - 1 MHz), lo que permite el uso de transformadores y condensadores de filtro que son mucho más pequeños, livianos 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 transformador secundario, la CA de alta frecuencia se rectifica y filtra para producir el voltaje de salida de CC. Si el SMPS utiliza un transformador de alta frecuencia adecuadamente aislado, la salida estará aislada eléctricamente de la red eléctrica; Esta característica suele ser esencial para la seguridad.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado generalmente están reguladas y, para mantener constante el voltaje de salida, la fuente de alimentación emplea un controlador de retroalimentación que monitorea la corriente consumida por la carga. El ciclo de trabajo de conmutación aumenta a medida que aumentan los requisitos de salida de energía.
Los SMPS a menudo incluyen características de seguridad como limitación de corriente o un circuito de palanca para ayudar a proteger el dispositivo y al usuario de daños. [1] En caso de que se detecte un consumo anormal de alta corriente, la fuente de alimentación de modo conmutado puede asumir 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 buena señal de alimentación a la placa base; la ausencia de esta señal impide el funcionamiento cuando hay tensiones de alimentación anormales.
Algunos SMPS tienen un límite absoluto en su salida de corriente mínima. [2] Solo pueden producir 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 energía aumenta a gran velocidad, lo que hace que el transformador aislado actúe como una bobina de Tesla , causando daños debido a los picos de energía de muy alto voltaje resultantes. Los suministros de modo conmutado con circuitos de protección pueden encenderse brevemente pero luego apagarse cuando no se detecta carga. Se puede conectar al suministro una carga ficticia muy pequeña de bajo consumo, como una resistencia de potencia de cerámica o una bombilla de 10 vatios, para permitir que funcione sin carga primaria conectada.
Históricamente, las fuentes de alimentación conmutadas utilizadas en las computadoras 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 fuentes de alimentación de modo conmutado simples, la etapa de entrada puede distorsionar la forma de onda del voltaje de línea, lo que puede afectar negativamente a otras cargas (y provocar una mala calidad de la energía para otros clientes de servicios públicos) y provocar un calentamiento innecesario en los cables y equipos de distribución. Además, los clientes incurren en facturas de electricidad más altas cuando operan cargas con un factor de potencia más bajo. Para evitar estos problemas, algunas fuentes de alimentación de modo conmutado para computadora realizan una corrección del factor de potencia y pueden emplear filtros de entrada o etapas de conmutación adicionales para reducir la interferencia de línea.
Una fuente de alimentación capacitiva (fuente de alimentación sin transformador) utiliza la reactancia de un condensador para reducir la tensión de la red a una tensión CA más pequeña. Normalmente, el voltaje de CA reducido resultante se rectifica, filtra y regula para producir un voltaje de salida de CC constante.
La tensión de salida no está aislada de la red eléctrica. En consecuencia, para evitar exponer a personas y equipos a altos voltajes peligrosos, todo lo que esté conectado a la fuente de alimentación debe estar aislado de manera confiable.
El condensador reductor de voltaje debe soportar el voltaje total de la red y también debe tener suficiente capacitancia para soportar la corriente de carga máxima al voltaje de salida nominal. En conjunto, estas limitaciones limitan los usos prácticos de este tipo de suministro 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, a menudo específico. Además, a menudo proporcionan una función de limitación de corriente para proteger la fuente de alimentación y la carga contra 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 la fuente de energía es una fuente de alimentación de CC no regulada, su voltaje de salida también variará con el cambio del 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 generalmente toma el voltaje de un tomacorriente de pared ( fuente de alimentación ) y utiliza un transformador para aumentar o reducir el voltaje al voltaje deseado. También se pueden realizar algunos filtrados. En algunos casos, el voltaje de fuente es el mismo que el voltaje de salida; esto se llama transformador de aislamiento . Otros transformadores de suministro de energía de CA no proporcionan aislamiento de la red; éstos se llaman 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 energía sea corriente continua (como la batería de almacenamiento de un automóvil), se puede usar un inversor y un transformador elevador para convertirla a energía CA. La energía de CA portátil puede ser proporcionada por un alternador impulsado 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 una Tensión constante en la salida. Algunos tipos de conversión de energía CA no utilizan transformador. Si el voltaje de salida y el voltaje de entrada son los mismos y el propósito principal del dispositivo es filtrar la energía de CA, se le puede llamar acondicionador de línea . Si el dispositivo está diseñado para proporcionar energía de respaldo, se le 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 el uso moderno, 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 suelen utilizarlas 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 de enchufe", o con términos de jerga como "verruga 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 se pueden transmitir a través de uno o más cables. Los adaptadores de CA "universales" tienen conectores de entrada intercambiables para adaptarse a diferentes voltajes de red de CA.
Los adaptadores con salidas de CA pueden constar únicamente de un transformador pasivo ; en el caso de salida de CC, los adaptadores constan de un transformador con pocos diodos y condensadores o pueden emplear circuitos de fuente de alimentación de modo conmutado. Los adaptadores de CA consumen energía (y producen campos eléctricos y magnéticos) incluso cuando no están conectados a una carga; por esta razón, a veces se les conoce como "vampiros de la electricidad" y pueden enchufarse a regletas para permitir 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 interfaz digital como RS-232 o GPIB . Las propiedades controladas pueden incluir voltaje, corriente y, en el caso de fuentes de alimentación de salida de CA, frecuencia. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas pruebas de equipos automatizados, monitoreo del crecimiento de cristales , fabricación de semiconductores y generadores de rayos X.
Las fuentes de alimentación programables suelen emplear una microcomputadora integral para controlar y monitorear 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 (UPS) toma su energía de dos o más fuentes simultáneamente. Por lo general, se alimenta directamente de la red eléctrica de CA y, al mismo tiempo, carga una batería de almacenamiento. En caso de corte o fallo de la red eléctrica, la batería se hace cargo instantáneamente para que la carga nunca experimente una interrupción. Instantáneamente aquí debería definirse como la velocidad de la electricidad dentro de los conductores que está algo cerca de la velocidad de la luz. Esa definición es importante porque la transmisión del servicio de comunicaciones y datos de alta velocidad debe tener continuidad/NO interrupción de ese servicio. Algunos fabricantes utilizan un cuasi estándar 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 una pausa antes del método make. El UPS que cumple con ese requisito se denomina UPS verdadero o UPS híbrido. La cantidad de tiempo que proporcionará el UPS suele depender de las baterías y en combinación con los generadores. Ese tiempo puede variar desde un mínimo de 5 a 15 minutos hasta horas o incluso días. En muchas instalaciones informáticas, sólo hay tiempo suficiente con las baterías para que los operadores tengan tiempo de apagar el sistema de forma ordenada. Otros esquemas de UPS pueden usar un motor de combustión interna o una turbina para suministrar energía durante un corte de energía de la red pública y la cantidad de tiempo de la batería depende de cuánto tiempo le toma al generador estar en línea y la criticidad del equipo servido. Este esquema se encuentra en hospitales, centros de datos, centros de llamadas, sitios celulares y oficinas centrales telefónicas.
Una fuente de alimentación de alto voltaje es aquella que genera cientos o miles de voltios. Se utiliza un conector de salida especial que evita la formación de arcos , la rotura del aislamiento y el contacto humano accidental. Los conectores Federal Standard se utilizan normalmente para aplicaciones superiores a 20 kV, aunque se pueden utilizar otros tipos de conectores (p. ej., 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 comúnmente para acelerar y manipular haces de iones y electrones 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 generalmente aplican la mayor parte de su energía de entrada a un inversor de potencia , que a su vez acciona un multiplicador de voltaje o una relación de vueltas alta, un transformador de alto voltaje o ambos (generalmente un transformador seguido de un multiplicador) para producir alta tensión. 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 circuitos de bajo voltaje. La señal de medición es utilizada por un controlador de circuito cerrado que regula el alto voltaje controlando la potencia de entrada del inversor, y también puede transmitirse fuera de la fuente de alimentación para permitir que un circuito externo monitoree 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 continuos. Este tipo de fuente de alimentación se utiliza habitualmente para alimentar dispositivos magnéticos en aplicaciones científicas. [ ejemplo necesario ]
La idoneidad de una fuente de alimentación particular para una aplicación está determinada por varios atributos de la fuente de alimentación, que normalmente se enumeran en las especificaciones de la fuente de alimentación . Los atributos comúnmente especificados para una fuente de alimentación incluyen:
Abreviaturas comúnmente utilizadas en las especificaciones de fuentes de alimentación:
El suministro de energía de un sistema eléctrico tiende a generar calor. Cuanto mayor sea la eficiencia, menos calor generará la fuente de alimentación. Hay muchas formas de gestionar el calor de una fuente de alimentación. Los tipos de enfriamiento generalmente se dividen en dos categorías: convección y conducción . Los métodos de convección comunes para enfriar fuentes de alimentación electrónicas incluyen flujo de aire natural, flujo de aire forzado u otro flujo de líquido sobre la unidad. Los métodos comunes de enfriamiento por conducción 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 comúnmente utilizados para la protección contra sobrecargas. [4]
Un fusible contiene un trozo corto de cable que se funde si fluye demasiada corriente. Esto efectivamente desconecta 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 en las unidades de suministro de energía pueden ser reemplazables por el usuario final, pero los fusibles en los equipos de consumo pueden requerir herramientas para acceder y cambiar.
Un disyuntor contiene un elemento que calienta, dobla y activa un resorte que cierra 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 mayor corriente durante un tiempo limitado de la que la unidad puede suministrar de forma continua. Algunos de estos recortes se reinician automáticamente, otros son de un solo uso.
Algunos suministros utilizan limitación de corriente en lugar de cortar la energía si están sobrecargados. Los dos tipos de limitación de corriente utilizados son la limitación electrónica y la limitación de impedancia. El primero es común en las fuentes de alimentación de mesa de laboratorio, el segundo es común en fuentes de menos de 3 vatios de salida.
Un limitador de corriente plegable reduce la corriente de salida a mucho menos 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 múltiples aplicaciones de las fuentes de alimentación.
Una fuente de alimentación para computadora moderna es una fuente de alimentación de modo conmutado que convierte la energía de CA de la red eléctrica en varios voltajes de CC. Los suministros de modo conmutado reemplazaron a los suministros lineales debido a mejoras en costos, 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 creada mediante la generación de electricidad. Una unidad de suministro de energía es parte del diseño necesario para convertir la energía de la batería de un vehículo de alto voltaje.
La soldadura por arco utiliza electricidad para unir metales fundiéndolos. La electricidad es proporcionada por una fuente de alimentación de soldadura y puede ser CA o CC . La soldadura por arco requiere corrientes elevadas, 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 accionaban 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. A menudo pueden 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 semifabricados y más.
Estos incluyen ventiladores, bombas de infusión, instrumentos quirúrgicos y dentales, imágenes y camas.
