Fuentes de Alimentación y Transformadores.
Fuentes de Alimentación.
Tipos de Fuentes, Tecnologías, Aplicaciones:
Que son las fuentes de alimentación eléctricas:
Una fuente de alimentación eléctrica es un dispositivo que se usa para convertir la corriente de la red eléctrica, que es corriente alterna (AC) a un voltaje alto, en una o varias corrientes continuas (DC) de voltajes adecuados para el funcionamiento de los componentes de un dispositivo electrónico.
Es fundamental para equipos como computadoras, televisores y cargadores de teléfonos móviles, ya que estos aparatos no pueden usar la corriente directamente de la pared.Componentes
Principales:
Una fuente de alimentación típica tiene varios
componentes que trabajan juntos para realizar esta conversión:
- Transformador:
Reduce el voltaje de la corriente alterna de la red eléctrica a un nivel
más bajo y seguro.
- Rectificador:
Convierte la corriente alterna (AC) en corriente continua (DC), aunque
esta aún tiene variaciones.
- Filtro: Suaviza las fluctuaciones de la
corriente continua, haciéndola más estable.
- Regulador: Mantiene el voltaje de salida
constante, sin importar las variaciones en la carga o la entrada de
energía.
- Ventilador:
Muchas fuentes de alimentación, especialmente en computadoras, incluyen un
ventilador para disipar el calor generado durante el proceso de conversión
y mantener la temperatura adecuada de los componentes.
Tipos de Fuentes de Alimentación:
Se pueden clasificar según su tecnología o su
factor de forma:
Según su
tecnología:
- Fuentes de alimentación lineales:
Proporcionan una tensión de salida muy estable con bajo ruido. Son ideales
para equipos de audio y aplicaciones de laboratorio donde la precisión es
crucial.
- Fuentes de alimentación conmutadas: Son más eficientes y compactas. Son el tipo más común y se usan
en la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos como ordenadores y
cargadores. Su funcionamiento es más complejo y se basa en la conmutación
de un transistor para modular la corriente.
Fuentes
de alimentación lineal:
Una fuente de alimentación lineal es un tipo de dispositivo que convierte la corriente alterna (AC) de la red eléctrica en corriente continua (DC), utilizando componentes pasivos como transformadores, diodos y capacitores. Su nombre "lineal" se debe a que el voltaje de salida se regula mediante la disipación del exceso de energía en forma de calor.
Las fuentes de alimentación lineales, a diferencia de las conmutadas, disipan el exceso de energía como calor, lo que las hace menos eficientes y más voluminosas. Sin embargo, siguen siendo cruciales en la industria moderna por su baja interferencia y su capacidad para proporcionar un voltaje de salida muy estable. Estas características las hacen indispensables en aplicaciones donde la precisión y la calidad de la señal son más importantes que la eficiencia energética
Funcionamiento:
El proceso de conversión en una fuente de alimentación lineal se realiza en varias etapas:
Transformador: Reduce el alto voltaje de la red eléctrica a un nivel más bajo. El
tamaño del transformador está directamente relacionado con la frecuencia de la
red (50 o 60 Hz), lo que a menudo lo hace voluminoso y pesado.
Rectificador: Convierte la corriente alterna, que oscila entre valores positivos y
negativos, en una corriente continua pulsante. Esto se logra generalmente con
diodos, que permiten el flujo de la corriente en una sola dirección. Diodos, que pueden ser en configuración de media onda o onda completa,
convierten la corriente alterna en una corriente continua pulsante, el puente
rectificador de cuatro diodos es el más común para la onda completa.
Filtro: Usa uno o más condensadores (capacitores) para suavizar la corriente
pulsante del rectificador. Esto reduce el "rizado" de la señal,
haciéndola más estable y parecida a una línea recta.
Regulador de voltaje: Es un circuito que mantiene el voltaje de salida
constante, sin importar las fluctuaciones en la carga o en la entrada de
energía. Es aquí donde se disipa el exceso de energía en forma de calor. Esta es la etapa clave, donde se mantiene el voltaje de salida
constante.
Existen dos tipos principales:
Reguladores lineales fijos: Circuitos integrados, como los de la serie 78xx (para voltajes
positivos) y 79xx (para voltajes negativos), que ofrecen un voltaje de salida
fijo preestablecido (ej. 5V, 12V).
Reguladores lineales ajustables: Permiten variar el voltaje de salida utilizando resistencias externas.
Un ejemplo común es el LM317.
Aplicaciones:
Debido a su salida de energía limpia y
estable, las fuentes lineales son indispensables en aplicaciones donde la
precisión y el bajo ruido eléctrico son críticos.
Electrónica y Laboratorio: Se usan en instrumentos de precisión, equipos de prueba y medición, y
en fuentes de laboratorio donde se requiere un voltaje de referencia estable.
Audio de alta fidelidad (Hi-Fi): Son la opción preferida para amplificadores de audio, convertidores
digital-analógico (DAC) y otros equipos de sonido de alta gama para evitar
zumbidos y distorsiones que podrían generar las fuentes conmutadas.
Dispositivos médicos: Equipos sensibles como los que se usan en quirófanos o para
diagnóstico requieren una alimentación extremadamente estable y libre de
interferencias.
Uso en
sistemas de comunicación:
En los sistemas de comunicación, la integridad
de la señal es primordial.
Las fuentes de alimentación lineales se
utilizan en:
- Circuitos de RF (Radio Frecuencia): Para alimentar componentes de transmisión y recepción donde el
ruido eléctrico podría degradar la señal.
- Sistemas de bajo ruido (LNA): Son
ideales para los amplificadores de bajo ruido, ya que su bajo rizado no
interfiere con la amplificación de señales débiles.
- Equipos de audio en telecomunicaciones: Módulos de audio y otros circuitos analógicos que manejan señales
de voz o datos sensibles.
Ventajas y Desventajas:
Las fuentes de alimentación lineales tienen sus
propias características que las hacen adecuadas para ciertas aplicaciones:
Ventajas:
- Bajo ruido y "rizado":
Ofrecen una salida de energía muy limpia y estable, lo que las hace
ideales para equipos de audio, instrumentos de laboratorio y dispositivos
que requieren una señal de alta precisión.
- Diseño simple y confiable: Su
circuitería es menos compleja que la de las fuentes conmutadas, lo que
facilita su diseño, fabricación y reparación.
- Respuesta transitoria rápida: Responden casi de inmediato a los cambios en la carga.
Desventajas:
- Baja eficiencia: Disipan una gran
cantidad de energía en forma de calor, lo que las hace mucho menos
eficientes que las fuentes conmutadas (su eficiencia suele estar entre el
30% y el 60%).
- Tamaño y peso: Los grandes
transformadores y los disipadores de calor necesarios para la disipación
de energía hacen que sean más grandes y pesadas.
- Costo: Pueden ser más caras para una misma potencia de salida que una fuente conmutada debido a la cantidad de material (especialmente cobre) que requieren sus transformadores.
Mientras que las fuentes conmutadas han ganado
popularidad por su tamaño y eficiencia, las fuentes lineales siguen siendo la
mejor opción para aplicaciones donde la calidad de la señal y la estabilidad
son la prioridad, a pesar de sus desventajas.
Integración
en la Industria 4.0:
A pesar de que la Industria 4.0 se centra en
la eficiencia energética y la miniaturización, las fuentes de alimentación
lineales aún tienen su lugar, especialmente en sistemas donde la calidad de la
energía es más importante que la eficiencia.
Integración con fuentes conmutadas: En algunas aplicaciones industriales de baja potencia, se pueden usar fuentes
conmutadas de alta eficiencia para alimentar la mayor parte del sistema y
luego usar una fuente lineal en cascada para alimentar componentes
sensibles que requieran una salida sin ruido, como los sensores de precisión o
los controladores de alta fidelidad.
Sistemas de control: En ciertos sistemas de control industrial, como los que operan con
sensores y actuadores de alta precisión, una fuente lineal garantiza un voltaje
de alimentación que no introduce errores en las mediciones o en el control de
procesos.
Entornos EMI/EMC sensibles: Las fuentes lineales, por su naturaleza, generan mínimas
interferencias electromagnéticas (EMI), lo que las hace adecuadas para entornos
donde la compatibilidad electromagnética (EMC) es crítica.
Este video explica el funcionamiento y las
diferencias básicas entre las fuentes de alimentación lineal y conmutada.
Posibilidades
de comunicación y protocolos en la Industria 4.0:
Los transformadores y las fuentes lineales
tradicionales no tienen capacidades de comunicación inherentes. Su función es
puramente energética. Sin embargo, su integración en la Industria 4.0 y con
sistemas de Inteligencia Artificial (IA) se logra a través de la supervisión y
el control de dispositivos externos.
Sensores y controladores: Un PLC (Controlador Lógico Programable) o un microcontrolador pueden
monitorear el voltaje y la corriente de salida de una fuente lineal a través de
sensores, y enviar estos datos a una red de comunicación.
Protocolos: Para la
comunicación dentro de la Industria 4.0, se utilizan protocolos como Modbus
TCP/IP, PROFINET o EtherNet/IP, que permiten que los dispositivos se comuniquen
y compartan datos para su análisis y optimización. La IA puede analizar
estos datos para predecir fallas, optimizar el uso de energía y automatizar el
mantenimiento predictivo.
Este video explica la teoría detrás del diseño
y funcionamiento de las fuentes de alimentación lineales.
Fuentes
de Alimentación Conmutadas (Switching):
Una fuente switching, también conocida como fuente conmutada o SMPS (Switch-Mode Power Supply), es un tipo de fuente de alimentación que utiliza un regulador de conmutación electrónico para convertir la energía eléctrica de manera más eficiente. A diferencia de las fuentes de alimentación lineales tradicionales que disipan el exceso de energía como calor, las fuentes switching operan encendiendo y apagando rápidamente (conmutando) un transistor. Este proceso les permite regular el voltaje de salida con una pérdida de energía mucho menor, lo que se traduce en una mayor eficiencia y un menor tamaño y peso.
Funcionamiento:
El proceso básico de una fuente conmutadas es el
siguiente:
1.
Rectificación
y filtrado: La corriente alterna (AC) de la
red eléctrica se rectifica para convertirla en corriente continua (DC).
2.
Conmutación: Un transistor de potencia (generalmente un MOSFET)
se enciende y apaga a una alta frecuencia (miles de veces por segundo). Al
hacer esto, "corta" la corriente DC en pulsos.
3.
Transformación: Estos pulsos de corriente de alta frecuencia se
envían a un transformador más pequeño y eficiente. Al trabajar a altas
frecuencias, el transformador puede ser significativamente más pequeño que los
transformadores usados en fuentes lineales.
4.
Rectificación
de salida: La corriente pulsante del
transformador se rectifica nuevamente para convertirla en una corriente
continua estable.
5. Regulación y retroalimentación: Un circuito de control supervisa el voltaje de salida y ajusta la frecuencia o el ancho de los pulsos del transistor para mantener el voltaje de salida constante, incluso si la carga o el voltaje de entrada cambian.
Ventajas de las Fuentes Conmutadas:
- Alta Eficiencia: Su
eficiencia es significativamente mayor, generalmente entre el 70% y 95%, lo que se traduce en menor disipación de calor y menor consumo de
energía.
- Tamaño y Peso Compactos:
Gracias a la alta frecuencia de conmutación, utilizan transformadores y
filtros más pequeños, resultando en un diseño más compacto
y ligero.
- Amplio Rango de Voltaje de Entrada: Pueden operar con un rango de voltaje de
entrada muy amplio (por ejemplo, 100–240 V), lo que las hace
versátiles a nivel global.
- Mayor Densidad de Potencia:
Pueden entregar más potencia en un espacio físico
reducido.
- Estabilidad de Voltaje: Tienden a ofrecer un voltaje de salida regulado y estable, incluso si hay variaciones en el voltaje de entrada.
Desventajas de las Fuentes Conmutadas:
- Ruido y Rizado de Salida: El
proceso de conmutación de alta frecuencia genera ruido eléctrico de alta
frecuencia y tensión de rizado en la salida, lo
cual puede ser problemático para dispositivos electrónicos
sensibles (como equipos de audio o instrumentación de precisión) si
no se filtra adecuadamente.
- Diseño Complejo: Su
circuito es intrínsecamente más complejo y requiere
múltiples componentes activos, pasivos y controladores especializados.
- Interferencias Electromagnéticas (EMI): La acción de conmutación puede producir interferencias
electromagnéticas (EMI), que requieren técnicas de blindaje y
filtrado para mitigar.
- Mantenimiento Difícil: Su complejidad hace que sean más difíciles de diagnosticar y reparar que las fuentes lineales.
El siguiente video Ventajas y desventajas de fuente
lineal vrs fuente conmutada ofrece una comparación entre las fuentes conmutadas
y las lineales.
Variantes Tecnológicas (Topologías) en Fuentes Conmutadas:
Las Fuentes de Alimentación Conmutadas (SMPS - Switched Mode Power Supplies) tienen múltiples variantes tecnológicas, principalmente clasificadas por su topología de circuito y por el tipo de conversión de energía que realizan.
Principales variantes:
Clasificación por Conversión de Energía
(Entrada/Salida):
Esta clasificación se basa en la forma en que
convierten el tipo de corriente y voltaje:
- CA a CC (AC/DC): Es la
más común. Se utiliza en casi todos los adaptadores, cargadores, fuentes
de alimentación de PC, etc., donde se toma la corriente alterna de la red
y se convierte en una o varias tensiones continúas reguladas.
- CC a CC (DC/DC): Se
usan para tomar una tensión continua y convertirla a otra tensión continua
diferente (mayor, menor o invertida). Son esenciales en electrónica móvil,
automoción y en los propios circuitos internos de los equipos
electrónicos.
- CC a CA (DC/AC): Son
los inversores. Convierten una tensión continua (como la
de una batería o un panel solar) en tensión alterna.
- CA a CA (AC/AC): Son los convertidores de frecuencia o variadores de velocidad. Se usan, por ejemplo, para controlar la velocidad de motores.
Clasificación por Topología de Circuito:
La topología define la estructura interna del circuito, especialmente la relación entre el inductor, el condensador y el interruptor (transistor). Se dividen en dos grandes grupos: no aisladas y aisladas.
Topologías No Aisladas (DC/DC):
Estas no usan transformador para el aislamiento
galvánico; la entrada y la salida comparten una referencia común. Suelen ser
más eficientes y simples.
|
Topología |
Función Principal |
Descripción Breve |
|
Reductor (Step-Down) |
La tensión de salida es menor que la tensión de entrada (V out. < V in.). |
|
|
Elevador (Step-Up) |
La tensión de salida es mayor que la tensión de entrada (V out. > V in.). |
|
|
Inversor / Elevador o Reductor |
La tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada, pero de polaridad opuesta (invertida). |
|
|
Elevador o Reductor |
Puede elevar o reducir la tensión sin invertir la
polaridad. Posee menor rizado. |
Topologías Aisladas (Mayormente AC/DC o DC/DC):
Estas utilizan un transformador de alta
frecuencia para proporcionar aislamiento galvánico entre la entrada y la
salida (esencial por seguridad y para cumplir normativas). También permiten
manejar múltiples voltajes de salida.
|
Topología |
Rango de Potencia Típico |
Características Clave |
|
Baja a Media (hasta |
Es la más simple y económica de las aisladas. Se
usa mucho en cargadores y adaptadores. |
|
|
Media (hasta |
Más compleja pero más eficiente que el Flyback.
Ideal para potencias medias con buen rendimiento. |
|
|
Media a Alta |
Utiliza dos interruptores y es muy eficiente.
Común en fuentes de alimentación de PC (ATX) de gama alta. |
|
|
Muy Alta |
La más potente y compleja. Emplea cuatro
interruptores. Se usa en aplicaciones industriales de alta potencia. |
|
|
Media a Alta |
Usa un transformador con toma central. Adecuada
para potencias medias y altas. |
Tendencias y Tecnologías Avanzadas:
El avance tecnológico en fuentes conmutadas se centra en mejorar la eficiencia y la densidad de potencia (más potencia en menos espacio).
Rectificación Síncrona: Reemplaza los diodos de salida por transistores MOSFET de baja resistencia en estado activo. Esto reduce drásticamente las pérdidas en la etapa de salida, aumentando la eficiencia, especialmente a bajo voltaje.
Dispositivos de Banda Ancha (Wide Bandgap): El uso de semiconductores como el Nitruro de Galio (GaN) y el Carburo de Silicio (SiC) permite a los transistores conmutar a frecuencias mucho más altas con pérdidas mínimas. Esto permite usar transformadores, inductores y condensadores mucho más pequeños, lo que reduce el tamaño y el peso de la fuente de manera significativa.
Control Digital: El uso de microcontroladores y DSPs para gestionar el ciclo de trabajo (PWM - Pulse Width Modulation) y las protecciones. Esto permite una mayor precisión en la regulación y una respuesta más rápida a los cambios de carga.
La elección de una variante tecnológica depende de factores como la potencia requerida, el aislamiento galvánico necesario, la regulación de voltaje, la eficiencia y el costo.
Convertidores de Tensión DC / DC Clasificación:
Los convertidores de tensión DC/DC se clasifican en
diversas topologías según su diseño de circuito y el tipo de conversión que
realizan.
Las principales son:
Convertidores DC-DC sin aislamiento:
Convertidor Buck: Reduce un voltaje de entrada DC a un voltaje de salida DC más bajo.
Convertidor Buck-Boost: Puede tanto aumentar como disminuir el voltaje de
entrada, pero con la polaridad de salida invertida.
Convertidores DC-DC con aislamiento:
Proporcionan aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida:
Convertidor Flyback: Es una de las topologías más comunes y sencillas,
ideal para aplicaciones de baja a media potencia.
Convertidor Forward: Ofrece mayor eficiencia que el Flyback y es adecuado para potencias medias.
Convertidores DC-DC sin Aislamiento:
Los convertidores DC-DC sin aislamiento (o no
aislados galvánicamente) son la topología más común y se caracterizan por no
tener una barrera de aislamiento (como un transformador) entre la entrada y la
salida. Esto resulta en una mayor eficiencia, un menor tamaño y un costo más
bajo en comparación con sus contrapartes aisladas.
Características Principales:
Sin Aislamiento Galvánico: No hay separación eléctrica entre la entrada y la salida, lo que los hace más pequeños, más eficientes y más económicos que sus contrapartes aisladas.
Alta Eficiencia: Logran una eficiencia muy alta (a menudo superior al 90-95%) gracias a su diseño de conmutación y a la ausencia de las pérdidas del transformador.
Control por Ciclo de Trabajo (PWM): Regulan la tensión de salida ajustando el ciclo de trabajo (duty cycle), es decir, la relación entre el tiempo en que el interruptor (transistor) está encendido y el período de conmutación.
Componentes Clave: Utilizan principalmente inductores (bobinas), condensadores, diodos e interruptores (MOSFETs o IGBTs) para almacenar y transferir energía.
Tipos de Convertidores DC-DC sin Aislamiento:
Los tres tipos principales de
convertidores DC-DC sin aislamiento, clasificados según la relación de voltaje
de salida (Vo) con respecto al voltaje de entrada (Vin),
son:
Convertidor
Reductor o Buck (Step-Down):
Función Principal: Reduce el voltaje de salida respecto al de entrada
(Vo<Vin).
Principio: Almacena
energía en un inductor (L) y la transfiere de forma controlada a la salida, lo
que da como resultado un voltaje promedio menor. El nivel de reducción se
controla mediante el ciclo de trabajo (D), donde Vo=D⋅Vin.
Aplicaciones Típicas: Alimentación de microcontroladores y circuitos integrados que requieren
un voltaje menor que la batería o fuente principal, dispositivos portátiles.
Relación de Voltaje (Ideal): Vo=D⋅Vin donde D es el ciclo de trabajo (0<D<1)
Convertidor Elevador o Boost (Step-Up):
Función Principal: Aumenta el voltaje de salida respecto al de entrada (Vo>Vin).
Principio: Utiliza el
inductor para oponerse al cambio de corriente, almacenando energía en él cuando
el interruptor está cerrado y liberándola, con un voltaje mayor, cuando el
interruptor se abre.
Aplicaciones Típicas: Controladores de iluminación LED (que a menudo requieren un alto
voltaje), cargadores de baterías (para obtener el voltaje de carga adecuado) y
sistemas que necesitan elevar el voltaje de una batería baja.
Relación de Voltaje (Ideal): Vo=1−D1⋅Vin donde D es el ciclo de trabajo (0<D<1).
Convertidor Reductor-Elevador o Buck-Boost (Step-Up/Step-Down):
Función Principal: Puede reducir o aumentar el voltaje de salida respecto al de entrada.
Características Clave: La topología inversora de este convertidor (la más común) produce un
voltaje de salida con polaridad inversa a la de la entrada.
Principio: Combina
las características de las topologías Buck y Boost. Para voltajes de salida
menores a la entrada, opera como reductor; para voltajes mayores, opera como
elevador.
Aplicaciones Típicas: Sistemas de gestión de baterías donde el voltaje de la fuente puede
variar por encima o por debajo del voltaje regulado requerido (por ejemplo, en
dispositivos con baterías que se descargan).
Relación de Voltaje (Ideal, Topología
Inversora): Vo=−1−DD⋅Vin donde el signo negativo
indica la polaridad invertida.
|
Tipo de Convertidor |
Función (Relación Vo con Vin) |
Polaridad de Vo |
Nombre en Inglés |
|
Reductor |
Reduce (Vo<Vin) |
Misma |
Buck / Step-Down |
|
Elevador |
Eleva (Vo>Vin) |
Misma |
Boost / Step-Up |
|
Reductor-Elevador |
Reduce o Eleva (Vo⪌Vin) |
Inversa |
Buck-Boost |
Aplicaciones Típicas:
Los convertidores DC-DC sin aislamiento son la
columna vertebral de la electrónica de consumo y de baja a media potencia
debido a su tamaño, eficiencia y costo.
Electrónica de Consumo: Se utilizan en dispositivos portátiles como teléfonos inteligentes, tablets y laptops para adaptar la energía de la batería a los diferentes voltajes que requieren los circuitos internos (CPU, memoria, pantalla).
Automoción: Conversión de voltaje en sistemas de vehículos, como la alimentación de
accesorios electrónicos desde la batería principal.
Regulación de Voltaje: Aportan voltajes regulados y estables a componentes críticos en placas de circuito impreso (PCB) y sistemas integrados, un concepto conocido como "Point of Load" (POL) regulation.
Sistemas de Energía Renovables: En algunos casos, se utilizan para acondicionar y regular el voltaje en la carga de baterías o en sistemas de iluminación LED.
Electrónica Industrial: Se usan cuando la seguridad eléctrica o el ruido excesivo no son una preocupación crítica y se priorizan la eficiencia y la compacidad.
Convertidores DC-DC con aislamiento:
Los convertidores DC-DC con aislamiento son
circuitos electrónicos que transforman un nivel de voltaje de corriente
continua (DC) a otro, e incorporan una barrera eléctrica (aislamiento
galvánico) entre el circuito de entrada y el de salida. Esta barrera se logra
típicamente mediante el uso de un transformador de alta frecuencia, que impide
que haya una conexión eléctrica directa entre la masa (tierra) de la entrada y
la de la salida.
Funcionamiento
Básico:
El proceso de conversión y aislamiento se
realiza en tres etapas:
1.
Inversión (DC a AC): El voltaje DC de entrada se "corta" (conmuta) rápidamente
utilizando transistores (MOSFETs o IGBTs) para generar una señal de corriente
alterna (AC) de alta frecuencia.
2.
Transformación y
Aislamiento: Esta señal AC pasa a través de un
transformador de ferrita. El transformador proporciona el aislamiento galvánico
y permite que la relación de espiras ajuste el nivel de voltaje al valor
deseado en el secundario.
3.
Rectificación y Filtrado (AC
a DC): La señal AC del secundario del transformador
se rectifica (convierte de nuevo a DC) utilizando diodos y se filtra con
condensadores e inductores para obtener un voltaje DC de salida limpio y
estable
Ventajas
Claves:
La principal diferencia y ventaja de estos
convertidores sobre los no aislados es la separación eléctrica, que ofrece:
- Seguridad: Aísla
al usuario o a la carga de voltajes de entrada potencialmente peligrosos,
lo que es vital en equipos médicos y de alto voltaje.
- Reducción de Ruido: El
transformador bloquea la transferencia de ruido de alta frecuencia, bucles
de tierra y transitorios entre la entrada y la salida, proporcionando una
alimentación más limpia.
- Flexibilidad de Puesta a Tierra:
Permite que la salida tenga un punto de tierra independiente de la
entrada, o incluso generar voltajes bipolares o de polaridad inversa (por
ejemplo, obtener +5 V y −5 V a partir de una única entrada de
+12 V)
Tipos de Topologías Aisladas:
Las topologías se nombran según la forma en
que el circuito primario (entrada) interactúa con el transformador:
Convertidor Flyback: Es la topología aislada más simple y económica. Utiliza el
transformador para almacenar y transferir energía durante los ciclos de
conmutación. Ideal para aplicaciones de baja a media potencia (hasta unos
150-200 W).
Convertidor Forward: Transfiere la energía directamente del primario al secundario mientras
el interruptor está encendido. Es más complejo, pero más eficiente que el
Flyback a potencias medias (hasta unos 500 W).
Medio Puente (Half-Bridge) y Puente Completo
(Full-Bridge): Son las topologías más complejas, utilizadas
para altas potencias (cientos de vatios a kilovatios). Permiten un uso más
eficiente del transformador y minimizan el estrés en los componentes de
conmutación.
Convertidores DC-DC con
aislamiento tabla de clasificación:
La relación entre el voltaje de entrada (Vin)
y el voltaje de salida (Vo) está determinada tanto por el ciclo de trabajo (D)
como por la relación de espiras del transformador (N), lo que permite que una
sola topología pueda actuar como reductor, elevador o ambos.
Tabla de clasificación de los principales
tipos de convertidores DC-DC aislados, junto con sus características de voltaje
y rango de potencia:
Clasificación
de Convertidores DC-DC Aislados:
|
Tipo de Convertidor |
Rango de Potencia Típico |
Ecuación de Voltaje de Salida (Ideal) |
Principio y Ventaja Clave |
|
Flyback |
Bajo a Medio-Bajo (< 150 W) |
Vo≈1−DD⋅N⋅Vin |
Almacenamiento de Energía: El
transformador (que actúa como inductor acoplado) almacena la energía durante
el estado ON y la transfiere a la salida durante el estado OFF. Simple y
económico: (un solo interruptor). |
|
Forward |
Bajo a Medio (100 W – 500 W) |
Vo≈D⋅N⋅Vin |
Transferencia Directa: La
energía se transfiere directamente de la entrada a la salida mientras el
interruptor está ON. Requiere un inductor de salida y un devanado de reinicio
o un circuito de pinzamiento para desmagnetizar el núcleo del transformador. |
|
Push-Pull |
Medio (200 W – 800 W) |
Vo≈2D⋅N⋅Vin |
Doble Acción: Utiliza dos interruptores
y un transformador con toma central en el primario. Los interruptores se
encienden alternadamente para excitar el transformador en ambas direcciones,
lo que permite una utilización completa del núcleo del transformador. |
|
Semipuente (Half-Bridge) |
Medio a Alto (100 W – 1 kW) |
Vo≈21D⋅N⋅Vin |
Distribución de Voltaje: Utiliza
dos interruptores y dos condensadores en serie para dividir el voltaje de
entrada por la mitad, lo que reduce la tensión que deben soportar los
interruptores (a Vin/2). Buena eficiencia. |
|
Puente Completo (Full-Bridge) |
Alto (> 500 W, hasta varios kW) |
Vo≈D⋅N⋅Vin |
Máxima Potencia: Utiliza cuatro
interruptores para aplicar el voltaje de entrada total a través del primario
del transformador en ambas direcciones. Ideal para aplicaciones de alta
potencia donde la eficiencia es crítica. |
Notas sobre
las Ecuaciones de Voltaje:
En las fórmulas anteriores:
- Vin es el voltaje de entrada.
- Vo es el voltaje de salida.
- D es el ciclo de trabajo (relación entre el tiempo de encendido del
interruptor y el período de conmutación, 0<D<1).
- N es la relación de espiras del transformador, definida como la
relación entre el número de espiras del devanado secundario (Ns) y el
número de espiras del devanado primario (Np): N=NpNs
En todas las topologías aisladas, la relación
de voltaje de salida puede ser reducida, elevada o mantenida al nivel de
entrada simplemente ajustando la relación de espiras (N).
- Para reducir el voltaje, se utiliza una relación de espiras N<1.
- Para elevar el voltaje, se utiliza una relación de espiras N>1.
- El control fino (regulación) se logra ajustando el ciclo de trabajo
(D).
Comparación
de Características Clave:
|
Característica |
Flyback |
Forward |
Semipuente |
Puente Completo |
|
Número de Interruptores |
1 |
1 (generalmente) |
2 |
4 |
|
Voltaje Máx. en el Interruptor |
Muy Alto |
Alto (2Vin) |
Medio (Vin/2) |
Medio (Vin) |
|
Componentes Adicionales |
No requiere inductor de salida (el transformador hace ambos trabajos). |
Inductor de salida y devanado/circuito de reinicio de núcleo. |
Condensadores de división de voltaje, inductor de salida. |
Inductor de salida. |
|
Complejidad del Circuito |
Baja (más simple) |
Media |
Media |
Alta |
|
Eficiencia |
Baja a Media |
Media a Alta |
Alta |
Muy Alta (máxima) |
Aplicaciones
Comunes:
Debido a sus beneficios de seguridad y calidad
de energía, se utilizan en entornos críticos:
Equipos Médicos: El aislamiento es obligatorio para proteger a los pacientes de fugas de
corriente.
Sistemas de Telecomunicaciones: Para proporcionar alimentación aislada y limpia a tarjetas de circuitos
sensibles.
Sistemas Industriales y de Control: Aislamiento de señales para evitar bucles de tierra y proteger los
microprocesadores de los picos de voltaje en entornos ruidosos.
Fuentes de Alimentación AC-DC: Son el núcleo de muchas fuentes de alimentación de consumo y
cargadores.
Cómo funciona un convertidor DC-DC aislado de
baja potencia con el siguiente video:
Tecnologías
de construcción:
La construcción de las fuentes conmutadas se
basa en diferentes topologías de convertidores. Estas topologías definen la
forma en que se convierten y regulan los voltajes, y la elección depende de los
requisitos de potencia y aislamiento.
- Buck: Para disminuir un voltaje de entrada DC
a uno más bajo.
- Boost: Para aumentar un voltaje de entrada DC a
uno más alto.
- Buck-Boost: Para
aumentar o disminuir el voltaje, a menudo invirtiendo la polaridad.
- Flyback: Común en aplicaciones de baja potencia y
aislamiento. Utiliza un transformador para almacenar energía.
- Forward: Mayor eficiencia que el Flyback,
adecuada para potencias medias y con salidas múltiples.
- Puente H completo o medio puente: Para
aplicaciones de alta potencia.
Estas topologías se complementan con
tecnologías como la Modulación por Ancho de Pulso (PWM), que controla el
encendido y apagado de los transistores para regular la tensión de salida.
Este video explica la topología de un
convertidor Buck-Boost para comprender cómo las fuentes conmutadas pueden
cambiar el voltaje.
Aplicaciones en la Industria y Sistemas de
Comunicación:
Las SMPS son fundamentales en la automatización industrial y los sistemas de comunicación gracias a su alta eficiencia, fiabilidad y capacidad para manejar demandas de energía variables. Se utilizan en:
Electrónica de consumo: Televisores, ordenadores, cargadores de baterías y
consolas de videojuegos.
Automatización industrial: Robótica, máquinas CNC, y sistemas de control.
Equipos de telecomunicaciones: Estaciones base, enrutadores de red y servidores,
donde una alimentación estable y fiable es crucial.
Iluminación LED: Proporcionan la corriente y el voltaje constantes que los LED necesitan
para operar de manera eficiente y prolongar su vida útil.
Equipos médicos: Como en máquinas de resonancia magnética o equipos de diagnóstico, donde se requiere una potencia constante y precisa.
Conexión con la Industria 4.0:
La Industria 4.0, la cuarta revolución industrial, se basa en la interconexión y automatización de los procesos de producción. Las fuentes conmutadas juegan un papel vital en este ecosistema:
Eficiencia Energética: La alta eficiencia de las SMPS es clave para la
sostenibilidad y la reducción de costos en las fábricas inteligentes, que
operan con una gran cantidad de dispositivos interconectados.
Componente de sistemas interconectados: Los sistemas de la Industria 4.0, como el Internet de las Cosas (IoT), la robótica y el control de
automatización, dependen de una alimentación estable y compacta que las SMPS
pueden proporcionar.
Sistemas de comunicación: Las SMPS alimentan la infraestructura de
comunicación (Ethernet, IO-Link, etc.) que permite que las máquinas, sensores y
sistemas se comuniquen entre sí, enviando grandes volúmenes de datos para su
análisis y optimización.
Soluciones compactas: El tamaño reducido y el menor peso de las SMPS permiten su fácil integración en dispositivos y equipos modulares, como los que se montan en rieles DIN, facilitando la construcción y el mantenimiento de las "fábricas inteligentes".
Este video profundiza en el principio de
funcionamiento de las fuentes conmutadas, base de los convertidores de energía
DC-DC.
Protocolos
de Comunicación en Fuentes Conmutadas:
Las fuentes conmutadas, especialmente en entornos industriales y de la Industria 4.0, utilizan diversos protocolos de comunicación para permitir que los dispositivos interactúen, compartan datos y se controlen entre sí. No existe un protocolo único, sino que la elección depende del tipo de red, los requisitos de velocidad y la aplicación específica.
Protocolos de Comunicación Comunes:
Los protocolos de comunicación más relevantes para
las fuentes de alimentación conmutadas en entornos industriales incluyen:
Protocolos basados en Ethernet Industrial:
- PROFINET: Basado en Ethernet
estándar, es ampliamente usado en la automatización de fábricas. Permite
la comunicación en tiempo real, ideal para controlar máquinas de alta
velocidad, y ofrece diagnósticos detallados.
- EtherNet/IP: Combina la
tecnología Ethernet con el estándar industrial CIP (Common Industrial
Protocol). Es un protocolo de alta velocidad que facilita el intercambio
de datos entre controladores, dispositivos y otros sistemas.
- Modbus TCP/IP: Una versión de Modbus que utiliza TCP/IP sobre Ethernet. Es muy popular por su simplicidad, fiabilidad y amplia compatibilidad, lo que lo hace ideal para la interconexión de sensores, PLCs y computadoras.
Protocolos de bus de campo (Fieldbus):
- PROFIBUS: Un protocolo de bus de
campo de gran trayectoria y fiabilidad. Existen diferentes versiones,
como PROFIBUS-DP para aplicaciones de alta velocidad y PROFIBUS-PA para entornos peligrosos.
- Modbus RTU: Una versión serial
de Modbus que utiliza una comunicación de maestro-esclavo. Sigue siendo
muy popular por su robustez y simplicidad.
- CANopen: Un protocolo basado en el bus CAN (Controller Area Network), comúnmente utilizado en sistemas de control integrados y vehículos.
Protocolos de comunicación serial:
- RS-232, RS-422 y RS-485: Estos son estándares de comunicación serial que se utilizan para conectar dispositivos a corta distancia. Aunque son más antiguos, aún se aplican en muchas máquinas y equipos industriales por su sencillez.
Función de los Protocolos en la Industria 4.0:
En el contexto de la Industria 4.0, las fuentes conmutadas no solo suministran energía, sino que también se convierten en dispositivos inteligentes que se comunican con otros elementos de la red.
Los protocolos permiten que las fuentes de alimentación:
Monitoreen su estado: Reportan en tiempo real el voltaje de salida, la
corriente, la temperatura y otros parámetros, lo que permite la supervisión y el mantenimiento predictivo.
Se controlen remotamente: Permiten que un controlador (como un PLC)
encienda, apague o ajuste la salida de la fuente de alimentación a través de la
red.
Diagnostiquen fallos: Envían alarmas y diagnósticos sobre posibles problemas (por ejemplo, sobrecalentamiento o sobrecarga) antes de que causen una interrupción mayor.
Todo esto facilita la integración de las fuentes de alimentación en sistemas más grandes y automatizados, lo que optimiza la eficiencia energética y la producción en las fábricas inteligentes.
Este video describe los componentes y el
funcionamiento general de una fuente conmutada:
Fuentes
Conmutadas Variables Según Formato.
Según su
factor de forma (en computación):
Formato: ATX
Es el formato más común para fuentes de
alimentación de computadoras de escritorio. Ofrecen una gran variedad de
potencias:
Las Fuentes de Alimentación ATX
(Advanced Technology eXtended) son el estándar de facto para las computadoras de escritorio,
introducido por Intel en 1995. Su función principal es convertir la corriente
alterna (AC) de la red eléctrica en los distintos voltajes de corriente
continua (DC) que necesitan los componentes del PC.
Las fuentes ATX son fuentes conmutadas (SMPS), que destacan por su alta eficiencia, tamaño compacto y capacidad para ofrecer múltiples voltajes estables.
Características Principales
Las fuentes ATX incorporan varias características
esenciales que mejoraron el diseño anterior (AT):
|
Característica |
Descripción |
|
Formato Estándar |
Tienen dimensiones típicas de, asegurando
compatibilidad con la mayoría de las carcasas y placas base. |
|
Encendido Suave |
Permiten encender y apagar el PC
mediante software (a través del sistema operativo), a diferencia del
interruptor mecánico directo de las fuentes AT. Esto se logra con el voltaje
de Stand By. |
|
Multivoltaje |
Suministran múltiples voltajes esenciales: (para
CPU, GPU y motores), (para periféricos y unidades), (para memoria RAM y chipsets) y a veces. |
|
Eficiencia (80 PLUS) |
Su eficiencia energética se clasifica con el
estándar 80 PLUS (Bronce, Plata, Oro, Platino, Titanio), lo que
indica el porcentaje de energía que se entrega al PC en lugar de perderse
como calor. |
|
Protecciones |
Incluyen circuitos de protección esenciales para
la seguridad de los componentes, como protección contra sobrevoltaje (OVP), sobrecorriente (OCP) y
cortocircuitos (SCP). |
|
Modularidad |
Pueden ser no modulares (todos
los cables fijos), semimodulares (solo el cable
principal es fijo) o totalmente modulares (todos los
cables se pueden desconectar), facilitando la gestión del cableado. |
Conectores de una Fuente ATX:
La fuente ATX utiliza conectores estandarizados
para alimentar la placa base, el procesador y los periféricos. Los más comunes
son:
|
Conector |
Pines |
Función |
|
ATX Principal |
24 pines (a menudo 20+4) |
Suministra energía principal a la placa base. |
|
CPU (EPS/ATX12V) |
4 u 8 pines (a menudo 4+4) |
Suministra energía exclusiva al procesador (CPU). |
|
PCIe |
6 u 8 pines (6+2) |
Suministra energía a las tarjetas gráficas (GPU). |
|
SATA |
15 pines |
Suministra energía a discos duros y SSD SATA, y
unidades ópticas. |
|
12VHPWR |
16 pines |
Nuevo conector para GPUs de muy alta potencia
(especificación ATX 3.0/3.1). |
|
Molex |
4 pines (en desuso) |
Se utiliza para ventiladores y unidades de
almacenamiento IDE antiguas. |
El video a continuación ofrece una explicación
sobre el funcionamiento interno de una fuente ATX.
Formato: SFX y SFX-L
Formatos más pequeños diseñados para equipos
compactos (mini-ITX), donde el espacio es limitado:
Las fuentes de alimentación SFX
y SFX-L son factores de forma compactos diseñados
específicamente para PC de Factor de Forma Pequeño (SFF)
o Mini-ITX, donde el espacio es muy limitado.
Son una alternativa mucho más pequeña que las
fuentes ATX estándar, pero están diseñadas para ofrecer alta potencia y
eficiencia a pesar de su tamaño reducido.
Características y Dimensiones:
La principal diferencia entre SFX y SFX-L radica en la profundidad (longitud), lo que afecta el tamaño del ventilador y la potencia máxima que pueden entregar.
Formato SFX (Small Form Factor):
- Dimensiones Típicas:
(ancho) (alto) (profundidad).
- Ventilador: Generalmente usan un
ventilador pequeño (80 mm o 92 mm).
- Refrigeración: Debido al ventilador
más pequeño y la alta densidad de componentes, pueden ser más ruidosas que las ATX o SFX-L comparables, ya
que el ventilador tiene que girar más rápido para disipar el calor.
- Uso Ideal: Cajas SFF extremadamente pequeñas donde cada milímetro cuenta.
Formato SFX-L (Small Form Factor - Long):
- Dimensiones Típicas: (ancho) (alto) (profundidad). La 'L' indica que es 30 mm más larga que la SFX estándar.
- Ventilador: El aumento de profundidad permite el uso de un ventilador de 120 mm, que suele ser más silencioso a las mismas RPM.
- Potencia: La longitud adicional facilita la disipación de calor y permite a los fabricantes integrar más componentes, resultando en modelos con mayor potencia (vatios), a menudo superando los 1000 W en la gama alta.
- Uso Ideal: Cajas SFF que tienen espacio para esos adicionales y requieren mayor potencia o menor ruido.
Puntos Clave Adicionales:
- Modularidad: Al igual que las ATX,
las fuentes SFX y SFX-L suelen ser modulares para
reducir el desorden de cables en cajas pequeñas, lo que es crucial para un
buen flujo de aire.
- Precio: Tienden a ser más caras que las
fuentes ATX de potencia similar, ya que la ingeniería para compactar los
componentes sin sacrificar la calidad es más compleja.
- Compatibilidad: La mayoría de las fuentes SFX/SFX-L vienen con un adaptador (bracket) que permite montarlas en carcasas diseñadas para fuentes ATX, brindando flexibilidad al usuario.
Puedes ver una explicación de los diferentes
formatos, incluyendo SFX y SFX-L, en el video:
Formato: TFX
Formato alargado y delgado, con el ventilador
en un extremo. Son menos comunes en PCs de consumo.
Las fuentes de alimentación TFX (Thin Form
Factor) son un formato compacto, caracterizado por su forma alargada y
estrecha, diseñado para ordenadores de sobremesa de perfil bajo o sistemas
compactos de oficina (mini-PC o slim desktop). Son una opción menos
común que las ATX o SFX en el mercado de PC por piezas, pero son esenciales
cuando la carcasa solo admite este factor de forma específico.
Dimensiones
y Formato:
El principal rasgo de las fuentes TFX es su
geometría prismática, a menudo comparada con una "caja de zapatos",
que prioriza la longitud sobre el ancho y la altura para encajar en carcasas
estrechas.
|
Característica |
Dimensión Típica (Ancho × Alto × Profundidad) |
|
TFX |
85 mm×65 mm×175 mm |
|
SFX (Referencia) |
125 mm×63.5 mm×100 mm |
|
ATX (Referencia) |
150 mm×86 mm×140 mm (Mín.) |
Diseño Alargado: El formato TFX es el más limitado en cuanto a dimensiones, lo que
condiciona sus prestaciones.
Refrigeración: Suelen utilizar un ventilador pequeño (típicamente 80 mm o menos),
a menudo ubicado en uno de sus lados largos
Rendimiento
y Uso:
Debido a su tamaño extremadamente compacto,
las fuentes TFX están inherentemente limitadas en la cantidad de componentes
internos que pueden albergar para gestión de calor y potencia.
- Potencia Limitada: Son
adecuadas para equipos que requieren poca potencia, como PCs de ofimática,
HTPC (Home Theater PC) básicos o sistemas preensamblados de bajo consumo.
Es raro encontrar modelos por encima de los 500 W, siendo la mayoría
de 350 W o menos.
- Ruido: El pequeño tamaño del ventilador a veces
puede significar que debe girar a mayores revoluciones, lo que puede
resultar en un mayor nivel de ruido comparado con los formatos SFX-L o
ATX.
- Conexiones:
Generalmente ofrecen las conexiones esenciales, como el conector ATX
principal (20+4 pines), conector de CPU (4 u 8 pines) y algunas conexiones
SATA y Molex. Los modelos modulares son minoritarios, pero existen.
Las fuentes TFX son, por lo tanto, una
solución de nicho para aquellos que necesitan una fuente de alimentación para
cajas de formato muy delgado donde las opciones ATX o SFX son demasiado anchas
o altas.
Puedes ver más detalles de las fuentes de
alimentación TFX en este video:
