¿Cuál es la fuente de alimentación?
Una fuente de alimentación es un dispositivo eléctrico que convierte la corriente de una fuente de energía (como una red eléctrica) en la tensión que necesita una carga (como un motor o un dispositivo electrónico).
Hay dos diseños principales de fuentes de alimentación: fuentes de alimentación lineales y fuentes de alimentación conmutadas.
Fuente de alimentación lineal: Los diseños de fuentes de alimentación lineales utilizan un transformador para reducir la tensión de entrada y, a continuación, rectifican y convierten la tensión en una tensión continua, que se filtra para mejorar la calidad de la forma de onda. Las fuentes de alimentación lineales utilizan reguladores lineales para mantener constante la tensión de salida. Los reguladores lineales disipan el exceso de energía en forma de calor.
Fuentes de alimentación conmutadas: El diseño de fuentes de alimentación conmutadas es un enfoque más reciente que resuelve muchos de los problemas presentes en el diseño de fuentes de alimentación lineales, incluidos el tamaño del transformador y los problemas de regulación de tensión. En el diseño de una fuente de alimentación conmutada, la tensión de entrada ya no se reduce, sino que se rectifica y filtra en la entrada; a continuación, se convierte en una secuencia de impulsos de alta frecuencia mediante un chopper; se filtra y se rectifica de nuevo antes de que la tensión llegue a la salida.
Índice
Principio de funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada
Las fuentes de alimentación lineales CA/CC se utilizan desde hace tiempo para convertir la corriente alterna de la red pública en corriente continua para su uso en electrodomésticos o iluminación. Pero las aplicaciones de alta potencia requieren cada vez más fuentes de alimentación más pequeñas. Las fuentes de alimentación lineales han quedado relegadas a usos industriales y médicos específicos, en los que siguen siendo útiles por su bajo nivel de ruido; las fuentes de alimentación conmutadas las han sustituido en gran medida por su pequeño tamaño, su alto rendimiento y su capacidad para manejar altas potencias. fuente de alimentación lineal. La figura 1 ilustra el proceso general de conversión de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) en una fuente de alimentación conmutada.
Figura 1: Fuente de alimentación conmutada CA/CC aislada
Rectificación de entrada
La rectificación es el proceso de convertir la tensión alterna en tensión continua. La rectificación de la señal de entrada es el primer paso en las fuentes de alimentación CA/CC conmutadas.
Se suele pensar que la tensión continua es una tensión rectilínea constante, como la que proporciona una batería. Pero en realidad, la corriente continua (CC) se define como un flujo unidireccional de carga. Esto significa que la tensión continua fluye en la misma dirección, pero no es necesariamente constante.
Corriente alterna sinusoidal (CA) La onda sinusoidal es la forma de onda de tensión más típica, en la que la primera mitad del ciclo es positiva y la segunda mitad negativa. Si se invierte o elimina el semiciclo negativo, la corriente dejará de ser alterna y se convertirá en continua. Este proceso de conversión puede lograrse mediante rectificación.
La rectificación se consigue utilizando diodos en un rectificador pasivo de medio puente para eliminar la mitad negativa de la onda sinusoidal (ver Figura 2). El diodo deja pasar la corriente durante el semiciclo positivo de la onda y la bloquea cuando fluye en sentido contrario.
Figura 2: Rectificador de medio puente
Una onda sinusoidal rectificada tendrá una potencia media baja y no podrá alimentar eficazmente un aparato. Otro método más eficaz consiste en cambiar la polaridad de la semionda negativa, convirtiéndola en una onda positiva. Este método se denomina rectificación de onda completa, y sólo requiere cuatro diodos en una configuración de puente completo (ver Figura 3). Esta configuración garantiza un sentido estable de la corriente independientemente de la polaridad de la tensión de entrada.
Figura 3: Rectificador de puente completo
Comparada con la rectificación de medio puente, la tensión media de salida de la forma de onda rectificada de onda completa es mayor, pero sigue estando lejos de la forma de onda de CC constante necesaria para alimentar equipos electrónicos. Aunque ya es una forma de onda de CC, por la forma de la onda de tensión se puede ver que la tensión cambia muy rápida y frecuentemente, y utilizar esa CC para alimentar equipos será ineficaz. Esta variación periódica de la tensión continua se denomina rizado, y reducir o eliminar el rizado es fundamental para conseguir una fuente de alimentación eficiente.
La forma más sencilla y común de reducir el rizado es añadir un condensador grande, llamado condensador de almacenamiento o filtro de suavizado, a la salida del rectificador (véase la figura 4).
Este condensador almacena tensión durante el pico de la onda y luego suministra corriente a la carga hasta que su tensión es inferior a la onda de tensión rectificada ascendente. La forma de onda que produce se acercará más a la forma deseada y también puede considerarse como una tensión continua sin componente alterna. Esta forma de onda de tensión final puede alimentar equipos de CC.
Figura 4: Rectificador de puente completo con filtro de suavizado
Los rectificadores pasivos utilizan diodos semiconductores como interruptores no controlados, que son el método más sencillo de rectificar las ondas de corriente alterna, pero no son los más eficaces.
Los diodos son interruptores relativamente eficaces. Se encienden y apagan rápidamente con un consumo mínimo. Pero su único problema es que tienen una caída de tensión de polarización directa de 0,5 V a 1 V, lo que reduce su eficiencia.
Los rectificadores activos sustituyen los diodos por interruptores controlables, como los MOSFET o los transistores BJT (ver Figura 5). Tiene dos ventajas: en primer lugar, los rectificadores de transistor no tienen la caída de tensión de 0,5 V a 1 V inherente a los diodos semiconductores porque su resistencia puede ser arbitrariamente pequeña y, por tanto, la caída de tensión también es pequeña; en segundo lugar, el transistor es un interruptor controlado, lo que significa que la frecuencia de conmutación puede ajustarse y optimizarse.
La desventaja es que los rectificadores activos requieren circuitos de control más complejos para lograr sus objetivos, que necesitan componentes adicionales y, por tanto, cuestan más.
Figura 5: Rectificador activo de puente completo
Corrección del factor de potencia (PFC)
El segundo paso en el diseño de fuentes de alimentación conmutadas es la corrección del factor de potencia (PFC).
Los circuitos PFC contribuyen poco a la conversión real de CA a CC, pero son una parte importante de la mayoría de las fuentes de alimentación comerciales.
Figura 6: Formas de onda de tensión y corriente a la salida del rectificador
Si observamos la forma de onda de la corriente del condensador de almacenamiento del rectificador (véase la Figura 6), veremos que la corriente de carga fluye a través del condensador en un lapso de tiempo muy corto; concretamente, desde el punto en que la tensión a la entrada del condensador es mayor que la carga del condensador, hasta el punto en que la señal rectificada entre en cresta. Esto provoca una serie de cortos picos de corriente en el condensador, causando graves problemas no sólo para la fuente de alimentación, sino también para toda la red. Porque estos picos de corriente se inyectan en la red y generan un gran número de armónicos. Los armónicos crean una distorsión que puede afectar a otras fuentes de alimentación y a los equipos conectados a la red.
En el diseño de fuentes de alimentación conmutadas, la finalidad del circuito de corrección del factor de potencia es filtrar estos armónicos y minimizarlos. Existen dos tipos de circuitos de corrección del factor de potencia: activos y pasivos.
Los circuitos PFC pasivos consisten en filtros pasivos de paso bajo que intentan eliminar los armónicos de alta frecuencia. Sin embargo, el PFC pasivo por sí solo no permite que las fuentes de alimentación, especialmente en aplicaciones de alta potencia, cumplan las especificaciones internacionales sobre ruido armónico. Es preciso recurrir a la corrección activa del factor de potencia.
El PFC activo puede cambiar la forma de la onda de corriente para que siga la forma de la onda de tensión. Los armónicos se desplazan a frecuencias más altas y, por tanto, son más fáciles de filtrar. En este caso, el circuito más utilizado es un convertidor elevador (o step-up).
Aislamiento: Fuentes de alimentación conmutadas aisladas y no aisladas
Independientemente de la presencia de un circuito PFC, el paso final en la conversión de potencia es reducir la tensión continua rectificada a una magnitud adecuada para la aplicación prevista.
Dado que la forma de onda de CA entrante se rectifica en la entrada, la tensión de CC de salida es muy alta: sin PFC, la tensión de CC de salida del rectificador será de aproximadamente 320 V; con el circuito PFC activo presente, la salida del convertidor elevador será de 400 V o más Tensión de CC de alta estabilidad.
Las altas tensiones en ambos casos son extremadamente peligrosas e innecesarias para la mayoría de las aplicaciones que requieren tensiones muy bajas. La tabla 1 enumera varios aspectos que deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar la topología de aislamiento correcta, incluidos el convertidor y la aplicación.
Tabla 1: Fuentes de alimentación de CA/CC aisladas y no aisladas
La elección del método de reducción de la presión arterial está relacionada principalmente con la seguridad.
El lado de entrada de la fuente de alimentación está conectado a la red de CA, lo que significa que si hay una fuga en la salida, una descarga de esta magnitud puede causar lesiones graves o incluso la muerte, y puede dañar cualquier equipo conectado a la salida.
La seguridad se garantiza aislando magnéticamente los circuitos de entrada y salida de alimentación CA/CC conectados a la red eléctrica. Los circuitos más utilizados en las fuentes de alimentación CA/CC aisladas son los convertidores flyback y los convertidores LLC resonantes, ya que ambos disponen de aislamiento eléctrico o magnético (véase la figura 7).
Figura 7: Convertidor Flyback (izquierda) y convertidor resonante LLC (derecha)
Utilizar un transformador significa que la señal no puede ser una tensión continua plana. En su lugar, la tensión debe cambiar y, por tanto, la corriente también, para que la energía pueda transferirse de un lado del transformador al otro a través del acoplamiento inductivo. Por lo tanto, tanto los convertidores flyback como los LLC "cortan" la tensión continua de entrada en una onda cuadrada, que luego se reduce a través de un transformador. Por último, la forma de onda se rectifica de nuevo antes de la salida.
Utilizado principalmente en aplicaciones de baja potencia, un convertidor flyback es también un convertidor buck-boost aislado cuya tensión de salida puede ser superior o inferior a la tensión de entrada, en función de la relación entre los devanados primario y secundario del transformador. relación de vueltas.
El funcionamiento de un convertidor flyback es muy similar al de un convertidor boost.
Cuando el interruptor está cerrado, la bobina primaria se carga por la entrada y forma un campo magnético; cuando el interruptor se abre, la carga del inductor primario se transfiere al bobinado secundario, que inyecta corriente en el circuito, alimentando así la carga.
El convertidor flyback es relativamente fácil de diseñar y requiere menos componentes que otros convertidores, pero no es eficiente porque obliga al transistor a encenderse y apagarse a voluntad, y esta conmutación dura provoca enormes pérdidas (véase la Figura 8). Especialmente en aplicaciones de alta potencia, esto acorta la vida del transistor y crea una enorme disipación de potencia. Por lo tanto, el convertidor flyback es más adecuado para aplicaciones de baja potencia, donde la potencia suele ser de hasta 100 W.
Los convertidores LLC resonantes se utilizan habitualmente en aplicaciones de alta potencia. Su circuito también está aislado magnéticamente mediante un transformador. Los convertidores LLC se basan en el fenómeno de la resonancia, lo que significa que cuando la frecuencia de funcionamiento coincide con la frecuencia natural del filtro, esta frecuencia se amplificará. En este caso, la frecuencia de resonancia del convertidor LLC viene definida por el inductor y el condensador en serie (filtro LC) y también se ve afectada por el efecto adicional de la inductancia primaria (L) del transformador, de ahí el nombre de convertidor LLC.
Los convertidores resonantes LLC son los preferidos para aplicaciones de alta potencia porque pueden producir conmutación de corriente cero, también conocida como conmutación suave (véase la Figura 8). Cuando la corriente en el circuito es cercana a cero, puede encender y apagar el interruptor, minimizando las pérdidas de conmutación del transistor, reduciendo así la EMI y mejorando la eficiencia. Sin embargo, esta mejora del rendimiento tiene un precio: Es muy difícil diseñar un convertidor resonante LLC que pueda lograr una conmutación suave en diversas condiciones de carga. Para ello, MPS ha desarrollado una herramienta de diseño LLC especial que garantiza que el convertidor funcione en el estado de resonancia correcto, consiguiendo así una mayor eficiencia de conmutación.
Figura 8: Pérdidas por conmutación dura (izquierda) y conmutación suave (derecha)
Como ya se ha mencionado, una de las limitaciones de las fuentes de alimentación CA/CC es el tamaño y el peso del transformador de entrada. Esto se debe a que la baja frecuencia de funcionamiento del transformador de entrada (50 Hz) requiere un inductor y un núcleo mayores para evitar la saturación.
En las fuentes de alimentación conmutadas, la frecuencia de oscilación de la tensión es mucho mayor (al menos por encima de 20 kHz). Esto significa que el transformador reductor puede ser más pequeño porque las señales de alta frecuencia crean menos pérdidas magnéticas en el transformador lineal. Como el tamaño del transformador de entrada es menor, el sistema puede miniaturizarse, lo que hace posible meter toda la fuente de alimentación en un cargador de móvil, como los que usamos ahora.
Algunos equipos de CC no requieren un transformador para proporcionar aislamiento. Esto es habitual en dispositivos que no requieren que el usuario los toque directamente (por ejemplo, luces, sensores, IoT, etc.), ya que cualquier procesamiento de los parámetros del dispositivo se realiza en un dispositivo independiente (por ejemplo, teléfono, tableta u ordenador).
Esto tiene importantes ventajas para el peso, el tamaño y el rendimiento del dispositivo. Estos convertidores reducen el nivel de tensión de salida mediante un convertidor Buck de alta tensión. Su circuito puede considerarse como el circuito inversor del convertidor boost antes mencionado. En este caso, cuando el interruptor del transistor está cerrado, la corriente que circula por el inductor crea una tensión a través del inductor, que anula la tensión de la alimentación, reduciendo así la tensión en la salida. Cuando se abre el interruptor, el inductor suministra corriente a la carga, manteniendo la tensión a través de la carga cuando el circuito se desconecta de la fuente de alimentación.
Las fuentes de alimentación conmutadas CA/CC utilizan convertidores Buck de alta tensión porque los transistores MOSFET que actúan como conmutadores deben ser capaces de soportar grandes cambios de tensión (ver Figura 9). Cuando el interruptor está cerrado, la tensión a través del MOSFET es cercana a 0 V; pero cuando está abierto, esta tensión sube a 400 V en una aplicación monofásica y a 800 V en un convertidor trifásico. Estos cambios bruscos de alta tensión pueden dañar fácilmente los transistores normales, por lo que se utilizan MOSFET especiales de alta tensión.
Figura 9: Fuente de alimentación conmutada CA/CC no aislada con PFC activo
Un convertidor Buck es más fácil de integrar que un transformador porque sólo necesita un inductor. Su eficiencia de reducción de tensión también es mayor, con una eficiencia de hasta 95% en condiciones normales. Este alto rendimiento se consigue porque los transistores y diodos apenas consumen potencia de conmutación, y las únicas pérdidas proceden del inductor.
Resuma
Las fuentes de alimentación conmutadas CA/CC son actualmente el método más eficaz para convertir la corriente alterna en continua. Su conversión de potencia se divide en tres etapas:
1. Rectificación de entrada: La tensión alterna de entrada se convierte en una onda continua rectificada mediante un puente de diodos. Añadiendo un condensador a la salida del puente se puede reducir la tensión de rizado.
2. Corrección del factor de potencia (PFC): Debido a la presencia de corriente no lineal en el rectificador, el contenido armónico de la corriente es muy grande. Hay dos formas de resolver este problema: una es utilizar el PFC pasivo, que utiliza filtros para suprimir los efectos armónicos, pero este método no es eficiente; el segundo método se denomina PFC activo, que utiliza interruptores en el convertidor de tensión para que la forma de onda de la corriente siga la forma de onda de la tensión de entrada. El PFC activo es la única forma de que los convertidores de potencia cumplan las normas actuales de tamaño y eficiencia.
3. Aislamiento: Las fuentes de alimentación conmutadas pueden ser aisladas o no aisladas. Un dispositivo está aislado cuando la entrada y la salida de una fuente de alimentación no están conectadas físicamente. El aislamiento puede conseguirse mediante un transformador, que aísla eléctricamente las dos mitades del circuito. Pero los transformadores sólo pueden transmitir potencia cuando cambia la corriente, por lo que la tensión continua rectificada se trocea en una onda cuadrada de alta frecuencia y luego se transmite al circuito secundario; a continuación se rectifica de nuevo y finalmente se pasa a la salida.
Diseñar una fuente de alimentación conmutada exige tener en cuenta todos los aspectos, especialmente la seguridad, el rendimiento, el tamaño y el peso. Los circuitos de control de las fuentes de alimentación conmutadas también son más complejos que los de las fuentes de alimentación lineales, y a muchos diseñadores les resulta útil utilizar módulos integrados en la fuente de alimentación.
