Las fuentes de alimentación se utilizan en casi todas las aplicaciones eléctricas / electrónicas para proporcionar suficiente corriente al voltaje requerido. Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación: lineal y conmutada. Ambos se pueden usar indistintamente, pero las fuentes de alimentación de modo conmutado se están volviendo cada vez más populares.
En este artículo, echemos un vistazo a qué son las fuentes de alimentación en modo conmutado, cómo funcionan y sus ventajas e inconvenientes en comparación con una fuente de alimentación lineal tradicional.
¿Qué es una fuente de alimentación conmutada (SMPS)?
Una fuente de alimentación de modo conmutado (también conocida como fuente de alimentación conmutada, SMPS, conmutador) es un dispositivo de suministro de energía electrónico que convierte la energía eléctrica de un voltaje a otro de manera eficiente.
Normalmente, SMPS se utiliza para transferir energía desde una fuente de CC / CA a una carga de CC (es decir, una computadora, teléfono móvil, etc.). La mayoría de las fuentes de alimentación de modo conmutado convierten un voltaje más alto (110 V o 220 V CA) en un voltaje CC mucho más bajo, como 24 V, 12 V o 5 V.
Podemos encontrar este tipo de fuentes de alimentación en casi todos los electrodomésticos, especialmente aquellos que son compactos. Por ejemplo, se pueden tomar adaptadores de carga de teléfonos móviles, computadoras, adaptadores de carga de computadoras portátiles.
Historia de las fuentes de alimentación de modo conmutado
La historia de las fuentes de alimentación conmutadas se remonta a 1836. Existe evidencia de que las bobinas inductivas se han utilizado para generar picos de alto voltaje para experimentos. Avanzando rápidamente casi una década, en 1959 en Bell Labs, Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng inventaron el MOSFET de potencia. Los MOSFET de potencia son el dispositivo de conmutación más utilizado en fuentes de alimentación de modo conmutado, incluso hasta la fecha.
Hay registros de patentes presentadas por IBM en 1958, donde muestra un diseño de un SMPS basado en la oscilación del transistor. Aproximadamente el mismo año, General Motors Corporation (GM) también presentó patentes similares para diseños SMPS.
El primer producto comercial y ampliamente conocido en tener una fuente de alimentación conmutada fue la calculadora de bolsillo HP-35 de Hewlett Packard. El SMPS en miniatura se utilizó para alimentar los LED, la ROM y otros elementos primarios como el reloj y los registros. Aunque los diseños han surgido de muchos proveedores importantes, la patente para utilizar el término 'Fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS)' fue presentada en 1976 por Microchip Technology. Lanzaron el primer controlador integrado para fuentes de alimentación conmutadas.
¿Qué significa "modo de cambio"?
El término 'modo conmutado' o 'modo conmutado' proviene del funcionamiento del SMPS. Un SMPS consiste en un circuito complejo que opera a una frecuencia muy alta (20kHz a 10MHz). Esta conmutación de alta velocidad permite que la fuente de alimentación en modo conmutado convierta la energía eléctrica de manera más eficiente que las fuentes de alimentación lineales tradicionales.
Principio de funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada
Una fuente de alimentación de modo conmutado consiste en un circuito complejo que contiene una serie de subcircuitos electrónicos de potencia para convertir eficientemente la energía de un voltaje a otro.
Un SMPS típico tiene el siguiente diagrama de bloques con estas subsecciones clave:
- Etapa de entrada
- Cambio de etapa
- Etapa de salida
- Circuito de control
Etapa de entrada
La etapa de entrada de energía generalmente consta de un rectificador de medio puente o completo circuito que toma energía CA como entrada y genera una salida CC filtrada del mismo voltaje. Por ejemplo, esta etapa puede convertir 110 V CA a 110 V CC. Esta etapa también contiene filtros LC adicionales (inductor y condensador) para eliminar aún más cualquier ondulación de la potencia de entrada.
Interruptor de alta frecuencia
Esta es la etapa más crítica de la fuente de alimentación. Normalmente, un SMPS tiene un MOSFET de potencia (uno o más) como dispositivo de conmutación principal. Una señal PWM enciende y apaga rápidamente el MOSFET para que actúe como un interruptor. Esto convierte el voltaje de CC suavizado de la etapa de entrada en una onda cuadrada de alta frecuencia. El dispositivo de conmutación funciona en modo de conducción continua en la mayoría de los suministros para lograr una mejor eficiencia de conversión.
Esta fuente oscilante se alimenta a un transformador de potencia, que reduce o aumenta el voltaje de acuerdo con la relación del devanado primario y secundario. Algunas fuentes de alimentación tienen múltiples devanados con fines de retroalimentación y para obtener múltiples voltajes de salida.
Etapa de salida
La salida del transformador de potencia también es una forma de onda oscilante, que se filtra aún más por la etapa de salida. Esta etapa también contiene filtros similares a la etapa de entrada, pero puede manejar más corriente a voltajes más bajos. Esta es la etapa final del circuito y envía la energía a la carga conectada.
Circuito de control
El dispositivo de conmutación (transistor o MOSFET) debe encenderse y apagarse rápidamente para generar la onda cuadrada necesaria para alimentar el transformador de potencia mediante una señal PWM. Esta señal PWM tiene una frecuencia y un ciclo de trabajo. El ciclo de trabajo es la relación entre el tiempo de activación y el tiempo total por ciclo. El voltaje de salida del SMPS se puede controlar aumentando o disminuyendo el ciclo de trabajo de la señal PWM alimentada al transistor.
Cuando se conecta una carga, comienza a consumir corriente y el voltaje de salida del SMPS cae. En este momento, un circuito separado debe estar en alerta para monitorear el voltaje de salida y, a medida que cae, debe aumentar el ciclo de trabajo de la señal PWM. De manera similar, cuando se desconecta una carga, el circuito de retroalimentación disminuye el ciclo de trabajo para mantener el voltaje de salida deseado.
¿Qué son las topologías SMPS?
Hay muchas topologías que se utilizan en las fuentes de alimentación de modo conmutado comerciales:
- Dólar
- La topología reductora es una topología reductora de voltaje CC-CC no aislada. (es decir, 24 V CC a 12 V CC)
- Estos extraen menos corriente promedio de la entrada y proporcionan una corriente más alta a la salida.
- Un ejemplo de un convertidor reductor son las fuentes de alimentación de la computadora, donde la fuente de alimentación principal de 12 V se reduce para alimentar los controladores USB de 5 V y DRAM de 1.8 V.
- Boost
- Esta es una topología elevadora de voltaje CC-CC no aislada. (3.7 V CC a 5 V CC)
- Los convertidores de refuerzo extraen más corriente de la entrada y emiten menos corriente a un voltaje más alto para la carga.
- Los sistemas que funcionan con baterías, como los sistemas de iluminación portátiles para vehículos eléctricos, utilizan convertidores impulsores de alta eficiencia para convertir un voltaje más bajo en un voltaje más alto para encender los electrodomésticos.
- Buck / Boost
- Combinación de topologías Buck y Boost. Estos circuitos pueden aumentar o disminuir una entrada de acuerdo con una salida deseada.
- Los convertidores reductores / impulsores se utilizan cuando el voltaje de entrada puede ser mayor o menor que el voltaje de salida deseado. Con un convertidor de este tipo, siempre podemos garantizar que proporcionará el voltaje de salida deseado independientemente del voltaje de entrada. Sin embargo, esto generalmente viene con limitaciones como el rango de voltaje de entrada (voltajes de entrada mínimo y máximo.
Las topologías mencionadas anteriormente son las topologías más simples. Sin embargo, no ofrecen aislamiento galvánico como los transformadores. Por lo tanto, existen topologías más avanzadas que utilizan transformadores más complicados para proporcionar las características de seguridad necesarias al tiempo que brindan la misma funcionalidad.
- Volar de vuelta
- Una versión mejorada del convertidor reductor proporciona la misma funcionalidad con aislamiento eléctrico.
- Convertidor directo
- Una topología SMPS aislada es más eficiente que la topología flyback.
Circuito de fuente de alimentación de modo conmutado
Aunque el control de un SMPS puede parecer complicado y más difícil de manejar, existen circuitos integrados de controlador SMPS dedicados como TNY267, TEA173X y VIPER22A que tienen un generador PWM incorporado y muchas otras funcionalidades avanzadas como control de retroalimentación y protección contra cortocircuitos / sobretensión.
A continuación se muestra la aplicación típica de un TNY267 de Power Integrations, un controlador SMPS en modo fuera de línea simple, que puede generar una salida de 12 V 1 A CC utilizando una fuente de 230 V CA.
La entrada Vin es la entrada de 100-300 V CA (también puede ser CC) y la entrada está protegida por un fusible y un MOV (varistor de óxido metálico) para proteger el circuito de picos de sobretensión. El puente rectificador D3 y el condensador C2 juntos rectifican la señal de CA de entrada en 100-300 V CC. El voltaje de salida de esta etapa es de aproximadamente [voltaje de entrada * 1.4] debido a los valores RMS.
El D2 y el D4 juntos forman un circuito de supresión de transitorios para proteger el TNY267 de EMF trasero Picos. D1 y C1 rectifican la salida secundaria del transformador T1, que es el voltaje de salida deseado.
R1, D5 y R2 forman el circuito de retroalimentación para regular el voltaje de salida de acuerdo con las condiciones de carga variables. Esto ayuda al TNY267 a mantener constante el voltaje de salida a 12V.
Ventajas y desventajas de las fuentes de alimentación conmutadas
Las fuentes de alimentación de modo conmutado tienen muchas ventajas:
- Por lo tanto, de tamaño más pequeño, puede caber en dispositivos compactos.
- Debido a los componentes basados en semiconductores, SMPS es más liviano
- Muy eficiente que las fuentes de alimentación lineales (70-95% típico)
- Admite rangos de voltaje de entrada y salida más amplios
- Proporciona funciones adicionales como salidas ajustables y funciones de seguridad como protección de bloqueo por cortocircuito, sobretensión, sobrecorriente y sobrecalentamiento.
- Disipación de calor más baja, por lo que requiere un enfriamiento activo mínimo
Sin embargo, las SMPS también tienen inconvenientes que a veces las hacen inadecuadas para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, un SMPS es un circuito mucho más complejo que un circuito lineal tradicional. Por lo tanto, hay muchos componentes que pueden funcionar mal y obstaculizar el rendimiento de la fuente de alimentación.
Además, los SMPS son conocidos por su mayor EMI (Interferencia electromagnética) y ruido eléctrico, ya que funcionan en altas frecuencias. Un SMPS mal diseñado puede causar fallas y, a veces, incluso dañar permanentemente los dispositivos electrónicos sensibles alimentados por ellos.
En el ámbito de la energía, las fuentes de alimentación de modo conmutado también crean una distorsión armónica en la red eléctrica y, en ocasiones, pueden requerir una corrección adicional del factor de potencia si no están integradas en la fuente.
Fuente de alimentación de modo lineal vs conmutado
La principal diferencia entre los suministros SMPS y lineales es su eficiencia. Las fuentes de alimentación de modo conmutado son extremadamente eficientes en comparación con las fuentes de alimentación lineales, que tienden a disipar más energía en forma de calor.
Las fuentes de alimentación lineales AC-DC generalmente usan transformadores para reducir el voltaje de CA de entrada y luego rectificarlo usando diodos y filtros usando capacitores. Esto proporciona una salida de ondulación muy baja, pero a costa de una eficiencia reducida (alrededor del 30% -60%). También tienden a ser muy voluminosos debido al tamaño y peso del transformador. Las fuentes de alimentación lineales no pueden manejar voltajes de entrada variables si no están diseñadas especialmente.
Por otro lado, los convertidores DC-DC lineales reducen el voltaje disipando el voltaje caído en forma de calor. Por lo tanto, los reguladores lineales de alta corriente requieren un enfriamiento activo más sofisticado para funcionar correctamente. Sin embargo, los suministros lineales son una simple inacción y un costo relativamente bajo de implementar. Además, las salidas de suministros lineales (basados en transformadores) están aisladas.
SMPS en este caso sobresale con índices de eficiencia que van desde el 80% y más con pérdidas de energía mínimas. Además, son pequeños en factor de forma y tienen aplicaciones flexibles ya que el circuito se puede alterar para obtener salidas ajustables e incluso salidas aisladas. Pero son mucho más complejos en diseño (alto número de componentes) y tienen ruido de alta frecuencia en la salida. Si no se abordan adecuadamente, pueden causar problemas en las secciones sensibles de los circuitos de carga.
Conclusión
Las fuentes de alimentación de modo conmutado son muy eficientes para convertir la energía eléctrica de un voltaje a otro. Son adecuados para aplicaciones de alta eficiencia y alta potencia y, en muchos casos, son más adecuados que los suministros lineales. Sin embargo, la selección de un SMPS o una fuente de alimentación lineal debe llevarse a cabo considerando muchos factores como una ondulación aceptable en la salida, la regulación de carga y línea, y el costo / complejidad en la aplicación deseada.
