Funcionamiento y Tipos de Fuentes de Alimentación: Guía Detallada
Las fuentes de alimentación son esenciales en cualquier laboratorio o entorno industrial, encargadas de suministrar la energía necesaria para el funcionamiento de diversos equipos electrónicos. Estos dispositivos toman la corriente proporcionada por la red eléctrica (generalmente 230 V) y la transforman en niveles de tensión más bajos y controlados, adaptándose a las necesidades específicas de cada aplicación. Las fuentes de alimentación permiten limitar la corriente o tensión a un nivel determinado, ofreciendo un rango de operación fijo o ajustable.
El término "fuente de alimentación de banco" se utiliza para describir una fuente de alimentación de CC utilizada en el banco de un ingeniero o técnico para una gran variedad de tareas de energía. Incluso las fuentes de alimentación pesadas y de alto rendimiento tienen mucho en común con sus primos más pequeños. El resto de este documento analizará el tipo de fuente de alimentación de banco con más detalle después de un vistazo rápido a las fuentes de alimentación de CA.
Fuentes de Alimentación de CA Variable
Cuando se prueban equipos eléctricos que se alimentan desde la línea de CA, a menudo es importante evaluar el equipo cuando está expuesto a condiciones de sobre o bajo voltaje. Las variaciones normales de voltaje de la línea de CA son del orden de ± 10%, pero pueden ser mayores cuando muchas cargas pesadas están utilizando la línea al mismo tiempo. Un diseñador también puede querer probar más allá de las variaciones normales de voltaje de la línea de CA con fines de prueba de esfuerzo (para averiguar dónde están las debilidades del diseño). Se necesita una fuente de CA variable para este tipo de prueba. Una fuente de CA variable también puede ser útil durante un «apagón» (condiciones de bajo voltaje de línea) para aumentar el voltaje de línea a niveles normales. Otro uso es aumentar el voltaje cuando se conecta una carga a través de un cable de extensión largo y la caída de voltaje del cable es significativa.
Los diferentes voltajes de CA se generan mediante un transformador (o un autotransformador). El transformador puede tener múltiples devanados o tomas, en cuyo caso el instrumento usa interruptores para seleccionar los diferentes voltajes. Alternativamente, se puede usar un transformador variable (autotransformador ajustable) para variar (casi) continuamente el voltaje. Algunas fuentes de CA variables incluyen medidores para monitorear el voltaje, la corriente y / o la potencia.
Algunos productos, como la fuente de alimentación de CA aislada variable modelo 1655A de B&K Precision combinan un transformador de aislamiento y un transformador variable. Este producto también incluye la capacidad de realizar pruebas de fugas de CA y tiene una conveniente fuente de alimentación ajustable para soldadores. Esta es una herramienta práctica y útil para el banco de resolución de problemas.
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Estos transformadores variables a menudo se denominan «Variacs», que originalmente era una marca comercial de General Radio Corporation, pero la palabra se ha vuelto genérica y ha entrado en el léxico general.
Fuente de alimentación de CA variable B&K Precision 1655A
Tipos de Fuentes de Alimentación de CC
Existen principalmente dos tipos de fuentes de alimentación de CC:
- Fuentes de alimentación convencionales o lineales: Utilizan un transformador, rectificador, filtro y regulador de tensión.
- Fuentes de alimentación conmutadas o switching: Emplean transistores en conmutación para transformar la energía de manera más eficiente.
Eliminador de batería
Estos tipos de suministros tienden a ser los menos costosos. El nombre describe su propósito principal, que es actuar en lugar de una batería.
Suministro de rango múltiple
La mayoría de las fuentes de alimentación convencionales funcionan con valores nominales de tensión y corriente fijos, por ejemplo, 30 V / 3 A. En este ejemplo, la potencia de salida máxima de 90 W solo se puede realizar cuando el suministro funciona a 30 V / 3 A.
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Fuentes de Alimentación Convencionales o Lineales
Una fuente de alimentación o fuente de poder convencional o lineal se compone por lo general de un transformador, un rectificador, un filtro y un regulador de tensión. En el proceso de transformación, a través de una bobina, se reduce la tensión que entra a la fuente. La generada por la red eléctrica (220v), la pasamos a una tensión menor. (habitualmente). Como la corriente es alterna, es necesario rectificarla por medio de un puente de diodos. Rectificando, el voltaje se mantendrá siempre por encima de los 0 voltios. Ya teniendo la corriente continua, se filtra la señal con condensadores, para eliminar las oscilaciones. Finalmente, el regulador es el encargado de estabilizar la señal para que en caso de que aumente o disminuya la entrada a la fuente, no se vea afectada la salida de la señal.
Hoy en día las fuentes de alimentación convencional o lineal con un transformador pesado se usan sólo para aplicaciones especiales. Tienden ser más complejas en la medida que deban suministrar mayor corriente.
Fuentes de Alimentación Conmutadas o Switching
Una fuente de alimentación o fuente de poder conmutada o switching usa la señal de control para variar el ancho de pulso, tomando de la alimentación solamente la energía requerida por la carga. En todas las topologías de fuentes de alimentación conmutadas o switching, se apagan y se encienden los transistores completamente. Así, idealmente, las fuentes de alimentación conmutadas o switching son 100 % eficientes. Estas fuentes, aunque tienen la misma potencia que una fuente lineal, es más pequeña y eficiente.
Este dispositivo transforma la energía mediante transistores en conmutación. En una fuente de alimentación conmutada o switching la onda cuadrada que resulta se emplea en transformadores con núcleo de ferrita con el propósito de obtener voltajes de corriente alterna que son rectificados mediante diodos rápidos y filtrados con inductores y condensadores, para lograr salida de corriente continua.
Cada vez más, las tecnologías híbridas que utilizan circuitos de tipo lineal y de conmutación están ganando popularidad. El objetivo de este enfoque es crear fuentes de alimentación cuyas características combinen la fuerza de las tecnologías de modo lineal y de conmutación.
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Especificaciones Clave de las Fuentes de Alimentación
Es fundamental comprender las especificaciones técnicas de una fuente de alimentación para asegurar su correcto funcionamiento y la compatibilidad con los dispositivos que alimentará. Algunas de las especificaciones más importantes son:
- Regulación: La regulación de carga es cuánto cambia el voltaje de salida cuando cambia la carga, generalmente de 0 a 100% de la clasificación. Las especificaciones típicas son de 0,1% a 0,01%. La regulación de línea es cuánto cambia la salida por un cambio en el voltaje de CA de entrada. Los valores típicos están nuevamente en el rango de 0.1% a 0.01%.
- Tiempo de respuesta transitorio: El tiempo de respuesta transitorio se puede especificar y está relacionado con el tiempo que tarda la fuente de alimentación en recuperarse a un valor especificado después de un cambio repentino en la carga o la salida.
- Ondulación y Ruido: La ondulación se puede definir como la porción de voltaje de CA sin filtrar y el ruido presente en la salida de una fuente de alimentación filtrada cuando se opera a plena carga y generalmente se especifica en voltios RMS. El ruido, por otro lado, se especifica típicamente como voltaje de CA pico a pico y se puede definir como la porción de ruido EMI sin filtrar y sin blindaje presente en la salida de una fuente de alimentación filtrada cuando se opera a plena carga.
- Temperatura: Las fuentes de alimentación modernas con calidad de laboratorio deben tener coeficientes de temperatura inferiores al 0,05% por ˚C . Por lo general, esto se especifica en el rango de temperatura de funcionamiento, que a menudo es de 0 a 40 ˚C .
- Aislamiento: Especificado como el voltaje CC o CA que se puede aplicar entre la entrada y la salida sin que falle el suministro. Los números típicos son 500 a 1500 V.
- Eficiencia: La eficiencia es la potencia de salida dividida por la potencia de entrada y, por supuesto, siempre será inferior al 100% (generalmente se convierte en un porcentaje). Los mejores suministros pueden ser 90% eficientes o mejores.
- Precisión de seguimiento: La especificación de precisión de seguimiento define qué tan cerca sigue la segunda salida a la salida de la primera salida.
- Aislamiento DC: El aislamiento se refiere a cuánto pueden «flotar» los terminales + o - por encima o por debajo de la tierra de la línea eléctrica.
Aquí se enumeran algunos conjuntos típicos de comandos SCPI comunes para fuentes de alimentación:
- [Fuente:]MODO {
} - MODO?
- VOLTage [: LEVel] {
} [:Nivel]? - :Proteccion : STATe {
} - : STATe?
- [: LEVel] {
} [: LEVel]? - ACTUAL [: LEVel] {
} [:Nivel]?
Al enviar cualquiera de los comandos de la lista anterior a través de la interfaz que admite el instrumento, el suministro se puede controlar con una computadora en lugar de presionar las teclas del panel frontal. Esto es muy útil, especialmente cuando se realizan configuraciones más complejas como generar pasos de voltaje dinámicos usando el modo de lista.
Medición de Ondulación y Ruido
No existe un método universalmente aceptado para medir la ondulación y el ruido. Algunos proveedores incluyen circuitos externos para realizar las mediciones, por lo que, para duplicar sus resultados, deberá comunicarse con ellos sobre cómo realizan las mediciones. La medida más sencilla es conectar un osciloscopio acoplado a CA a la salida de la fuente de alimentación. La medición se puede realizar a partir de ruido de modo común (ruido en las salidas + y - de la fuente de alimentación con respecto a la tierra de alimentación de CA) o ruido de modo normal (también llamado modo diferencial), que es el ruido que se ve entre los + y - terminales de la fuente de alimentación.
Nota: dado que el exterior del conector BNC en muchos osciloscopios está conectado a la toma de tierra, deberá utilizar un transformador de aislamiento para alimentar el osciloscopio o utilizar un amplificador diferencial para medir el ruido en modo normal.
La ondulación de las fuentes de alimentación lineales se mide generalmente al doble de la frecuencia de línea. Para cambiar las fuentes de alimentación, querrá examinar las frecuencias más altas y es posible que vea picos de voltaje. Puede ser importante saber en qué ancho de banda se especifica el ruido. A menudo es de 20 MHz, ya que se utiliza un osciloscopio para medirlo.
Nota: a veces, la ondulación y el ruido se especifican como PARD, que es un acrónimo de «desviaciones periódicas y aleatorias».
La mayoría de las fuentes de alimentación lineales deben tener una ondulación RMS de menos de 3 mV y un pico de menos de 50 mV para las fuentes de conmutación.
Ejemplo práctico: La salida de una fuente de alimentación B&K Precision 9130 configurada en 9 voltios se conectó a través de un cable coaxial de 50 ohmios (usando un adaptador de conector banana dual) a un osciloscopio de almacenamiento digital B&K Precision 2534 (ancho de banda de 60 MHz). La entrada del osciloscopio estaba acoplada a CA (el canal se verificó para asegurar que el acoplamiento de CA no tuviera un efecto medible en la amplitud de una señal de entrada hasta 30 Hz). El osciloscopio se alimentó con un transformador de aislamiento de grado médico, por lo que la medición de ruido es diferencial, no de modo común. No hubo ondulaciones mensurables en la línea eléctrica y el ruido fue principalmente de banda ancha con algunos picos con una frecuencia fundamental de 40 MHz.
Ejemplo de mediciones de ondulación y ruido
Pruebas de Fuentes de Alimentación Bajo Carga
Ciertamente, una excelente manera es probarlo con la carga real que debe suministrar, si es posible. Sin embargo, es posible que eso no estrese lo suficiente al suministro como para decirle mucho sobre su idoneidad y solidez para su aplicación. Una excelente herramienta para probar fuentes de alimentación es una carga de CC. Se pueden programar para aplicar una amplia variedad de cargas variables a una fuente de alimentación y pueden hacerlo sin descanso. Una vez que se califica un suministro en particular, son buenas herramientas para la inspección continua o entrante.
Consideraciones Adicionales
- ¿Qué es una palanca?: Es un dispositivo de protección que se usa en la salida de las fuentes de alimentación (generalmente un SCR) para cortocircuitar la salida si el voltaje de salida supera un nivel establecido.
- Resistencia de cables y contactos: La resistencia de contacto en uniones defectuosas o conexiones mecánicas.
- Entrada AC: Las fuentes de alimentación más grandes pueden utilizar energía trifásica. Estos pueden ser más económicos y un poco más eficientes que los suministros monofásicos, aunque las frecuencias de ondulación serán más altas.
- Corriente de entrada: Algunas fuentes de alimentación contienen condensadores de filtrado grandes que esencialmente presentan un corto al rectificador cuando se enciende por primera vez. Algunas fuentes de alimentación tienen circuitos para minimizar la corriente de entrada o distribuirla a lo largo del tiempo (un «arranque suave»).
- Retención: La especificación de retención define cuánto tiempo puede desaparecer la entrada de CA y la fuente de alimentación seguirá estando regulada. La carga almacenada en los condensadores del filtro se utiliza para suministrar energía mientras la entrada de CA está apagada.
Fuentes de Alimentación Especializadas de HVPOWER
HVPOWER diseña y fabrica fuentes de alimentación o fuentes de poder convencionales o lineales o conmutadas o switching con una salida fija o ajustable de corriente o tensión.
Ejemplo de Fuente de Alimentación HVPOWER
- Tipo: Fuente de Alimentación o Fuente de Poder Tiristorizada AC/DC Transportable.
- Voltaje de Entrada: 220Vac Monofásico.
- Potencia: Desde 0 a 1.000 Watts (Rango Posible a Elegir).
- Voltaje de Salida: 0Vdc - 180Vdc Estabilizados (Rango Posible a Elegir).
- Característica: Fuente de Alimentación o Fuente de Poder Regulable en Voltaje y Corriente.
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