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Fuente de alimentación conmutada

Fuente de alimentación conmutada autónoma
Una fuente de alimentación conmutada ajustable para uso en laboratorio

Una fuente de alimentación de modo conmutado ( SMPS ), también llamada fuente de alimentación de modo conmutado , fuente de alimentación de modo conmutado , 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, la 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 [a] de una fuente de alimentación de modo conmutado cambia continuamente entre estados de baja disipación , encendido y apagado completo, y pasa muy poco tiempo en las transiciones de alta disipación, lo que minimiza el desperdicio de energía. La regulación de voltaje se logra variando la relación entre el tiempo de encendido y apagado (también conocido como ciclo 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 de modo conmutado es una ventaja importante.

Las fuentes de alimentación conmutadas también pueden ser sustancialmente más pequeñas y ligeras que una fuente de alimentación lineal porque el transformador puede ser mucho más pequeño. Esto se debe a que opera a una frecuencia de conmutación alta que varía de varios cientos de kHz a varios MHz en contraste con la frecuencia de red de 50 o 60 Hz que utiliza el transformador en una fuente de alimentación lineal. A pesar del tamaño reducido del transformador, la topología de la fuente de alimentación y los requisitos de compatibilidad electromagnética 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 una mayor eficiencia, un tamaño menor o un peso más liviano. Sin embargo, son más complicados; las corrientes de conmutación pueden causar problemas de ruido eléctrico si no se suprimen con cuidado y los diseños simples pueden tener un factor de potencia deficiente .

Historia

1836
Las bobinas de inducción utilizan interruptores para generar altos voltajes.
1910
Un sistema de encendido por descarga inductiva inventado por Charles F. Kettering y su empresa Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) entra en producción para Cadillac. [1] El sistema de encendido Kettering es una versión conmutada mecánicamente de un convertidor elevador flyback; el transformador es la bobina de encendido. Se utilizaron variaciones de este sistema de encendido en todos los motores de combustión interna no diésel hasta la década de 1960, cuando comenzó a ser reemplazado primero por versiones de estado sólido conmutadas electrónicamente y luego por sistemas de encendido por descarga capacitiva .
1926
El 23 de junio, el inventor británico Philip Ray Coursey solicita una patente en su país y en Estados Unidos para su “Condensador Eléctrico”. [2] [3] La patente menciona la soldadura de alta frecuencia [4] y los hornos, entre otros usos. [3]
C.  1932
Los relés electromecánicos se utilizan para estabilizar la salida de voltaje de los generadores. Véase Regulador de voltaje § Reguladores electromecánicos . [5] [6]
C. 1936
Las radios de los automóviles utilizaban vibradores electromecánicos para transformar el suministro de batería de 6 V en un voltaje de placa adecuado para los tubos de vacío. [7]
1959
Sistema de suministro de energía con convertidor rectificador y oscilador de transistores La patente estadounidense 3.040.271 fue presentada por Joseph E. Murphy y Francis J. Starzec, de General Motors Company [8]
Década de 1960
La computadora de guía Apollo , desarrollada a principios de la década de 1960 por el Laboratorio de Instrumentación del MIT para las ambiciosas misiones a la Luna de la NASA (1966-1972), incorporó fuentes de alimentación de modo conmutado tempranas. [9]
C. 1967
Bob Widlar de Fairchild Semiconductor diseña el regulador de voltaje IC μA723. Una de sus aplicaciones es como regulador de modo conmutado. [10]
1970
Tektronix comienza a utilizar fuentes de alimentación de alta eficiencia en sus osciloscopios de la serie 7000 producidos entre 1970 y 1995. [11] [12] [13] [14]
1970
Robert Boschert desarrolla circuitos más simples y de bajo costo. En 1977, Boschert Inc. crece hasta convertirse en una empresa de 650 personas. [15] [16] Después de una serie de fusiones, adquisiciones y escisiones (Computer Products, Zytec, Artesyn, Emerson Electric), la empresa ahora es parte de Advanced Energy . [17] [18] [19]
1972
Se presenta la HP-35 , la primera calculadora de bolsillo de Hewlett-Packard , con fuente de alimentación conmutada por transistores para diodos emisores de luz , relojes, sincronización, ROM y registros. [20]
1973
Xerox utiliza fuentes de alimentación conmutadas en la minicomputadora Alto [21]
1976
Robert Mammano, cofundador de Silicon General Semiconductors, desarrolla el primer circuito integrado para control de SMPS, el modelo SG1524. [15] Después de una serie de fusiones y adquisiciones (Linfinity, Symetricom, Microsemi ), la empresa ahora es parte de Microchip Technology . [22]
1977
El Apple II está diseñado con una fuente de alimentación conmutada. " Rod Holt ... creó la fuente de alimentación conmutada que nos permitió fabricar un ordenador muy ligero". [23]
1980
El generador de señal sintetizada HP8662A de 10 kHz – 1,28 GHz estaba equipado con una fuente de alimentación de modo conmutado. [24]

Explicación

Una fuente de alimentación lineal (no SMPS) utiliza un regulador lineal para proporcionar el voltaje de salida deseado disipando energía 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 o la corriente de salida 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, una fuente de alimentación conmutada cambia el voltaje y la corriente de salida al conmutar elementos de almacenamiento idealmente sin pérdidas, como inductores y condensadores , entre diferentes configuraciones eléctricas. Los elementos de conmutación ideales (aproximados por transistores que funcionan 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 funcionarían con una eficiencia del 100 % (es decir, toda la potencia de entrada se entrega a la carga; no se desperdicia energía como 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.

El esquema básico de un convertidor elevador

Por ejemplo, si una fuente de CC, un inductor, un interruptor y la conexión a tierra eléctrica correspondiente se colocan en serie y el interruptor se activa mediante una onda cuadrada , el voltaje pico a pico de la forma de onda medida a través del interruptor puede superar el voltaje de entrada de la fuente de CC. Esto se debe a que el inductor responde a los cambios de corriente induciendo su propio voltaje para contrarrestar el cambio de corriente, y este voltaje se suma al voltaje de la fuente mientras el interruptor está abierto. Si se coloca una combinación de diodo y condensador en paralelo al interruptor, el voltaje pico se puede almacenar en el condensador, y el condensador se puede utilizar como una fuente de CC con un voltaje de salida mayor que el voltaje de CC que activa 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 es opuesto en polaridad al voltaje de entrada. Existen otros circuitos reductores para aumentar la corriente de salida promedio con una reducción de voltaje.

En una fuente de alimentación conmutada, el flujo de corriente de salida depende de la señal de potencia de entrada, los elementos de almacenamiento y las topologías de circuitos utilizados, y también del patrón utilizado (por ejemplo, modulación por ancho de pulso con un ciclo de trabajo ajustable ) para accionar 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 introducidos en las formas de onda de salida se pueden filtrar con un pequeño filtro LC .

Ventajas y desventajas

La principal ventaja de la fuente de alimentación conmutada es una mayor eficiencia (hasta aproximadamente el 98-99 % [25] [26] [27] ) 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 debido a la eliminación de transformadores de frecuencia de línea pesados ​​y costosos. La pérdida de potencia en modo de reserva 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 paso bajo debe bloquear para evitar interferencias electromagnéticas (EMI), un voltaje de ondulación en la frecuencia de conmutación y sus frecuencias armónicas .

Las fuentes de alimentación conmutadas de muy bajo costo pueden acoplar el ruido de conmutación eléctrica a la línea de alimentación principal, lo que provoca interferencias con los dispositivos conectados a la misma fase, como los equipos de audio y video. Las fuentes de alimentación conmutadas sin corrección del factor de potencia también provocan distorsión armónica.

Comparación de fuentes de alimentación lineales y SMPS

Existen dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas: SMPS y lineales. La siguiente tabla compara las fuentes de alimentación lineales con las conmutadas en general:

Teoría del funcionamiento

Vista interior de una fuente de alimentación conmutada ATX para ordenador : A: rectificador de puente; B: condensadores de filtrado de entrada; entre B y C: disipador de calor para conmutar los componentes activos del voltaje primario; C: transformador; entre C y D: disipador de calor para conmutar los componentes activos de al menos cinco voltajes secundarios, según la especificación ATX; D: bobina de filtrado de salida para el secundario con la mayor potencia nominal. Muy cerca, bobinas de filtrado para los otros secundarios; E: condensadores de filtrado de salida.   La bobina y el condensador amarillo rectangular grande debajo del rectificador de puente forman un filtro EMI y no forman parte de la placa de circuito principal.







Diagrama de bloques de una fuente de alimentación conmutada CA/CC alimentada por red con regulación de voltaje de salida

Etapa rectificadora de entrada

Señales rectificadas de CA, de media onda y de onda completa

Si la fuente de alimentación conmutada tiene una entrada de CA, la primera etapa consiste en convertir la entrada en CC. Esto se denomina " rectificación ". Una fuente de alimentación con una entrada de CC no requiere esta etapa. En algunas fuentes de alimentación (en su mayoría, fuentes de alimentación ATX para ordenadores ), el circuito rectificador se puede configurar como un duplicador de tensión mediante la adición de un interruptor que se opera de forma manual o automática. Esta característica permite el funcionamiento con fuentes de alimentación que normalmente están a 115 V CA o a 230 V CA. El rectificador produce una tensión de CC no regulada que luego se envía a un condensador de filtro de gran tamaño. La corriente extraída de la red eléctrica por este circuito rectificador se produce en pulsos cortos alrededor de los picos de tensión de CA. Estos pulsos tienen una energía de alta frecuencia significativa que reduce el factor de potencia. Para corregir esto, muchas fuentes de alimentación conmutadas más nuevas utilizarán un circuito especial de corrección del factor de potencia (PFC) para hacer que la corriente de entrada siga la forma sinusoidal de la tensión 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.

Una fuente de alimentación conmutada diseñada para una entrada de CA normalmente puede funcionar con una fuente de CC, porque la CC pasaría a través del rectificador sin cambios. [35] Si la fuente de alimentación está diseñada para 115 V CA y no tiene un interruptor selector de voltaje, el voltaje de CC requerido sería 163 V CC (115 × √2). Sin embargo, este tipo de uso puede ser perjudicial para la etapa del rectificador, ya que solo utilizará la mitad de los diodos en el rectificador para la carga completa. Esto podría provocar un sobrecalentamiento de estos componentes, lo que provocaría que fallaran 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 de computadora generalmente están en esta categoría), el interruptor selector tendría que colocarse en la posición 230 V , y el voltaje requerido sería 325 V CC (230 × √2). Los diodos de este tipo de fuente de alimentación manejarán la corriente continua sin problemas porque están diseñados para manejar el doble de la corriente de entrada nominal cuando funcionan en el modo de 115 V , debido al funcionamiento del duplicador de voltaje. Esto se debe a que el duplicador, cuando está en funcionamiento, utiliza solo la mitad del rectificador de puente y hace pasar el doble de corriente a través de él. [36]

Etapa inversora

Esta sección se refiere al bloque marcado como chopper en el diagrama.

La etapa inversora convierte la corriente continua (CC), ya sea directamente desde la entrada o desde la etapa rectificadora descrita anteriormente, en corriente alterna haciéndola pasar por un oscilador de potencia, cuyo transformador de salida es muy pequeño y tiene pocos devanados, a una frecuencia de decenas o cientos de kilohercios . La frecuencia suele elegirse por encima de los 20 kHz, para que sea inaudible para los humanos. La conmutación se implementa como un amplificador MOSFET multietapa (para lograr una alta ganancia) . Los MOSFET son un tipo de transistor con una baja resistencia de encendido y una alta capacidad de manejo de corriente.

Convertidor de voltaje y rectificador de salida

Si se requiere que la salida esté aislada de la entrada, como suele ser el caso en las fuentes de alimentación de red, se utiliza la corriente alterna invertida para accionar el devanado primario de un transformador de alta frecuencia . Esto convierte el voltaje hacia arriba o hacia abajo hasta el nivel de salida requerido en su devanado secundario. El transformador de salida en el diagrama de bloques cumple esta función.

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, se utilizan comúnmente diodos Schottky 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 caída de voltaje más baja cuando conducen. Para voltajes de salida aún más bajos, se pueden utilizar MOSFET como rectificadores síncronos ; en comparación con los diodos Schottky, estos tienen caídas de voltaje en estado de conducción aún más bajas.

La salida rectificada se suaviza mediante un filtro compuesto por 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 única 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 funciona a un ciclo de trabajo del 50% producirá un voltaje de salida promedio de 5 V. Se emplea un bucle de control de retroalimentación para regular el voltaje de salida variando el ciclo de trabajo para compensar las variaciones en el 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. Hay muchas variaciones y extensiones de esta clase de convertidores, pero estos tres forman la base de casi todos los convertidores CC a CC aislados y no aislados. Añadiendo un segundo inductor se pueden implementar los convertidores Ćuk y SEPIC o, añadiendo conmutadores activos adicionales, se pueden realizar varios convertidores de puente.

Otros tipos de fuentes de alimentación conmutadas utilizan un multiplicador de tensión de diodo y condensador en lugar de inductores y transformadores. Se utilizan principalmente para generar altos voltajes con corrientes bajas ( generador Cockcroft-Walton ). La variante de bajo voltaje se denomina bomba de carga .

Regulación

Este cargador para un dispositivo pequeño como un teléfono móvil es una fuente de alimentación conmutada fuera de línea con un enchufe europeo, que consta principalmente de un optoacoplador , un rectificador y dos componentes activos .

Un circuito de retroalimentación monitorea el voltaje de salida y lo compara con un voltaje de referencia. Dependiendo del diseño y los requisitos de seguridad, el controlador puede contener un mecanismo de aislamiento (como un optoacoplador ) para aislarlo de la salida de CC. Las fuentes de alimentación conmutadas en computadoras, televisores y videograbadoras tienen estos optoacopladores para controlar estrictamente el voltaje de salida.

Los reguladores de lazo abierto no tienen un circuito de retroalimentación. En cambio, se basan en suministrar un voltaje constante a la entrada del transformador o inductor y suponen 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.

Diseño de transformador

Cualquier fuente de alimentación conmutada que obtiene su energía de una línea de alimentación de CA (llamada convertidor "fuera de línea" [37] ) requiere un transformador para el aislamiento galvánico . [ cita requerida ] 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 de los ahorros de costos (y ahorros de espacio) en las fuentes de alimentación fuera de línea resultan del tamaño más pequeño del transformador de alta frecuencia en comparación con los transformadores de 50/60 Hz utilizados anteriormente. Hay compensaciones de diseño adicionales. [38]

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 lo tanto la masa del núcleo) se puede reducir en gran medida. Sin embargo, las pérdidas del núcleo aumentan a frecuencias más altas. Los núcleos generalmente utilizan material de ferrita que tiene una pérdida baja en las frecuencias altas y las densidades de flujo altas utilizadas. Los núcleos de hierro laminado de los transformadores de frecuencia más baja (<400 Hz) tendrían una pérdida inaceptable a frecuencias de conmutación de unos pocos kilohertz. Además, se pierde más energía durante las transiciones del semiconductor de conmutación a frecuencias más altas. Además, se requiere más atención a la disposición física de la placa de circuito a medida que los parásitos se vuelven más significativos y la cantidad de interferencia electromagnética será más pronunciada.

Pérdida de cobre

En frecuencias bajas (como la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz), los diseñadores generalmente pueden ignorar el efecto pelicular . Para estas frecuencias, el efecto pelicular solo es significativo cuando los conductores son grandes, de más de 0,3 pulgadas (7,6 mm) de diámetro.

Las fuentes de alimentación conmutadas deben prestar más atención al efecto pelicular, ya que es una fuente de pérdida de potencia. A 500 kHz, la profundidad de la pelicular 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 parte interna transporta menos corriente que a bajas frecuencias.

El efecto pelicular se ve exacerbado por los armónicos presentes en las formas de onda de conmutación de modulación por ancho de pulso (PWM) de alta velocidad . La profundidad pelicular adecuada no es solo la profundidad en la fundamental, sino también la profundidad pelicular en los armónicos. [39]

Además del efecto piel, también existe un efecto de proximidad , que es otra fuente de pérdida de potencia.

Factor de potencia

Las fuentes de alimentación conmutadas simples fuera de línea incorporan un rectificador de onda completa simple conectado a un condensador de almacenamiento de energía de gran tamaño. Estas fuentes de alimentación conmutadas extraen corriente de la línea de CA en pulsos cortos cuando el voltaje instantáneo de la red supera el voltaje a través de este condensador. Durante la parte restante del ciclo de CA, el condensador proporciona energía a la fuente de alimentación.

Como resultado, la corriente de entrada de estas fuentes de alimentación de modo conmutado básicas 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 los sistemas de generadores de emergencia o generadores de aeronaves. Los armónicos se pueden eliminar mediante filtrado, pero los filtros son caros. A diferencia del factor de potencia de desplazamiento creado por cargas inductivas o capacitivas lineales, esta distorsión no se puede corregir mediante la adición de un solo componente lineal. Se requieren circuitos adicionales para contrarrestar el efecto de los breves pulsos de corriente. Colocar una etapa de corte elevador regulada por corriente después del rectificador fuera de línea (para cargar el condensador 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 fijar límites a los armónicos de la corriente de entrada de CA hasta el armónico 40 para equipos de más de 75 W. La norma define cuatro clases de equipos en función de su tipo y forma de onda de la corriente. 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 conmutadas modernas suelen incluir una etapa adicional de corrección del factor de potencia (PFC).

Tipos

Las fuentes de alimentación conmutadas se pueden clasificar según la topología del circuito. La distinción más importante es entre convertidores aislados y no aislados.

Topologías no aisladas

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, para mantener la coherencia, se niega el voltaje de salida (V 2 ).

Cuando el equipo es accesible para personas, 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 estrechamente relacionadas. La entrada, la salida y la tierra se unen en un punto. Una de las tres pasa por un inductor en el camino, mientras que las otras 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 reetiquetando las conexiones. Un convertidor buck con entrada de 12 V y salida de 5 V se puede convertir en un convertidor buck-boost con entrada de 7 V y salida de −5 V conectando a tierra la salida y tomando la salida del pin de tierra .

Del mismo modo, 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 completar. [41]

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.

Topologías aisladas

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. [42] [43] Para algunas topologías, se pueden colocar múltiples devanados en el transformador para producir múltiples voltajes de salida. [44] Algunos convertidores utilizan el transformador para el almacenamiento de energía, mientras que otros utilizan un inductor separado.

Las fuentes de alimentación conmutadas de voltaje cero requieren solo disipadores de calor pequeños, ya que se pierde poca energía en forma de calor. Esto les permite ser pequeñas. Esta ZVS puede suministrar más de 1 kilovatio. No se muestra el transformador.

Controlador chopper: el voltaje de salida está acoplado a la entrada, por lo que está controlado de manera muy estricta.

Interruptor de corriente cero/voltaje cero cuasirresonante

Los interruptores cuasiresonantes conmutan cuando el voltaje está en un mínimo y se detecta un valle.

En un conmutador cuasiresonante de corriente cero/voltaje cero (ZCS/ZVS), "cada ciclo de conmutación entrega un 'paquete' cuantificado de energía a la salida del convertidor, y el encendido y apagado del conmutador se produce con corriente y voltaje cero, lo que da como resultado un conmutador esencialmente sin pérdidas". [48] La conmutación cuasiresonante, también conocida como conmutación de valle , reduce la EMI en la fuente de alimentación mediante dos métodos:

  1. Al cambiar el interruptor bipolar cuando el voltaje está en un mínimo (en el valle) para minimizar el efecto de conmutación brusca que causa EMI.
  2. Al cambiar cuando se detecta un valle, en lugar de en una frecuencia fija, se introduce una fluctuación de frecuencia natural que extiende el espectro de emisiones de RF y reduce la EMI general.

Eficiencia y EMI

Un mayor voltaje de entrada y un modo de rectificación sincrónica hacen que el proceso de conversión sea más eficiente. También se debe tener en cuenta el consumo de energía del controlador. Una mayor frecuencia de conmutación permite reducir el tamaño de los componentes, pero puede producir más interferencias de radiofrecuencia . Un convertidor directo resonante produce la EMI más baja de cualquier enfoque de SMPS porque utiliza una forma de onda resonante de conmutación suave en comparación con la conmutación dura convencional. [ cita requerida ]

Modos de fallo

Las fuentes de alimentación conmutadas tienden a ser sensibles a la temperatura. Por cada 10-15 °C que superen los 25 °C, la tasa de fallas se duplica. [49] La mayoría de las fallas se pueden atribuir a un diseño inadecuado y a una mala selección de componentes. [50]

Las fuentes de alimentación con condensadores que han llegado al final de su vida útil o que presentan defectos de fabricación, como la plaga de los condensadores , acabarán fallando. Cuando la capacidad disminuye o la ESR aumenta, el regulador compensa aumentando la frecuencia de conmutación, sometiendo así a los semiconductores de conmutación a un estrés térmico cada vez mayor. Al final, los semiconductores de conmutación fallan, normalmente de forma conductiva. En el caso de las fuentes de alimentación sin protección a prueba de fallos , esto puede someter a las cargas conectadas a la tensión y la corriente de entrada completas, y pueden producirse oscilaciones salvajes en la salida. [51]

Es habitual que falle el transistor de conmutación. Debido a los altos voltajes de conmutación que debe manejar este transistor (alrededor de 325 V para una fuente de alimentación de 230 V CA sin corrección del factor de potencia, de lo contrario, generalmente alrededor de 390 V ), estos transistores a menudo se cortocircuitan, lo que a su vez hace que se funda inmediatamente el fusible de alimentación interno principal.

Las fuentes de alimentación de los productos de consumo suelen sufrir daños por la caída de rayos sobre las líneas eléctricas, así como por cortocircuitos internos provocados por insectos atraídos por el calor y los campos electrostáticos. Estos fenómenos pueden dañar cualquier parte de la fuente de alimentación.

Precauciones

El condensador de filtro principal suele almacenar 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 "descarga" que descarga lentamente el condensador. El contacto con este condensador puede provocar una descarga eléctrica grave.

Los lados primario y secundario pueden estar conectados con un capacitor para reducir la interferencia electromagnética y compensar los diversos acoplamientos capacitivos en el circuito del convertidor, donde el transformador es uno de ellos. Esto puede provocar una descarga eléctrica en algunos casos. La corriente que fluye desde la línea o el neutro a través de una resistencia de 2 kΩ hasta cualquier parte accesible debe ser, de acuerdo con la norma IEC 60950 , inferior a 250 μA para equipos informáticos. [52]

Aplicaciones

Cargador de teléfono móvil con modo conmutado
Una fuente de alimentación conmutada de 450 vatios para usar en computadoras personales con los cables de entrada de energía, ventilador y salida visibles

Las fuentes de alimentación conmutadas (PSU) de los productos domésticos, como los ordenadores personales , suelen tener entradas universales, lo que significa que pueden aceptar alimentación de la red eléctrica de todo el mundo, aunque puede ser necesario un interruptor manual de rango de tensión. Las fuentes de alimentación conmutadas pueden tolerar una amplia gama de frecuencias y tensiones de alimentación.

Debido a sus grandes volúmenes , los cargadores de teléfonos móviles siempre han sido especialmente sensibles a los costes. Los primeros cargadores eran fuentes de alimentación lineales , pero rápidamente se pasó a la rentable topología de convertidor de estrangulamiento de timbre (RCC) SMPS, cuando se requirieron nuevos niveles de eficiencia. Recientemente, la demanda de requisitos de potencia en vacío aún más bajos en la aplicación ha hecho que la topología flyback se esté utilizando más ampliamente; los controladores flyback de detección del lado primario también están ayudando a reducir la lista de materiales (BOM) al eliminar los componentes de detección del lado secundario, como los optoacopladores . [ cita requerida ]

Las fuentes de alimentación conmutadas también se utilizan para la conversión de CC a CC. En los vehículos pesados ​​que utilizan una fuente de alimentación de arranque de CC de 24 V nominal , se pueden suministrar 12 V para los accesorios a través de una fuente de alimentación conmutada de CC/CC. Esto tiene la ventaja, en comparación con la toma de la batería en la posición de 12 V (utilizando la mitad de las celdas), de que toda la carga de 12 V se divide de manera uniforme entre todas las celdas de la batería de 24 V. En entornos industriales, como los bastidores de telecomunicaciones, la energía a granel 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 de CC/CC para suministrar los voltajes requeridos.

Un uso común de las fuentes de alimentación conmutadas es como fuente de voltaje extra bajo para iluminación. Para esta aplicación, se las suele llamar "transformadores electrónicos".

Ejemplos de fuentes de alimentación conmutadas para aplicaciones de iluminación de voltaje extra bajo, denominadas transformadores electrónicos.

Terminología

El término modo conmutado se usó ampliamente hasta que Motorola reclamó la propiedad de la marca registrada SWITCHMODE para productos destinados al mercado de fuentes de alimentación de modo conmutado y comenzó a hacer valer su marca registrada. [37] Fuente de alimentación de modo conmutado , fuente de alimentación conmutada y regulador de conmutación se refieren a este tipo de fuente de alimentación. [37]

Véase también

Notas explicativas

  1. ^ El transistor de paso es el componente activo por el que pasa la energía desde la entrada a la salida en la fuente de alimentación.

Notas

  1. ^ US 1037492, Kettering, Charles F. , "Sistema de encendido", publicado el 2 de noviembre de 1910, emitido el 3 de septiembre de 1912 
  2. ^ US 1754265, Coursey, Philip Ray, "Condensador eléctrico", publicado el 23 de junio de 1926, emitido el 15 de abril de 1930 
  3. ^ ab "¿Cuándo se inventó la fuente de alimentación SMPS?". electronicspoint.com .
  4. ^ "Condensadores eléctricos (Open Library)". openlibrary.org .
  5. ^ "De primera mano: La historia del regulador de voltaje del automóvil - Wiki de historia de la ingeniería y la tecnología". ethw.org . Consultado el 21 de marzo de 2018 .
  6. ^ US 2014869, Teare Jr., Benjamin R. y Whiting, Max A., "Dispositivo electrorresponsivo", publicado el 15 de noviembre de 1932, emitido el 17 de septiembre de 1935 
  7. ^ "El modelo 5-X de Cadillac, una radio supherheterodina de 5 tubos, utilizaba un vibrador sincrónico para generar su suministro de B+". Radiomuseum .
  8. ^ Patente estadounidense 3040271, "Sistema de suministro de energía con convertidor de transistores" 
  9. ^ Ken Shirriff (enero de 2019). "Dentro de la memoria central del ordenador de guía del Apolo". righto.com . Consultado el 4 de julio de 2019 .
  10. ^ "Reguladores de voltaje de precisión μA723" (PDF) . ti.com . Julio de 1999 [agosto de 1972].
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Referencias

Lectura adicional

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