Fuente de alimentación

dispositivo que convierte la corriente para alimentar un aparato electrónico
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En electrónica, la fuente de alimentación o fuente de potencia es el dispositivo que convierte la corriente alterna (CA), en una o varias corrientes continuas (CC), que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta (computadora, televisor, impresora, router, etc).[1]

Fuente de alimentación de propósito general

En inglés se conoce como power supply unit (PSU), que literalmente traducido significa: unidad de fuente de alimentación, refiriéndose a la fuente de energía eléctrica.

Clasificación

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Las fuentes de alimentación para dispositivos electrónicos, pueden clasificarse básicamente como fuentes de alimentación lineales y conmutadas.[2]​ Las lineales tienen un diseño relativamente simple, que puede llegar a ser más complejo cuanto mayor es la corriente que deben suministrar, sin embargo su regulación de tensión es poco eficiente. Una fuente conmutada, de la misma potencia que una lineal, será más pequeña y normalmente más eficiente pero será más compleja y por tanto más susceptible a averías.

Fuentes de alimentación lineales

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Esquena básico de fuente de alimentación lineal

Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro, regulación y salida.[2]

En primer lugar el transformador adapta los niveles de tensión[3]​ y proporciona aislamiento galvánico. El circuito que convierte la corriente alterna en corriente continua pulsante se llama rectificador,[4]​ después suelen llevar un circuito que disminuye el rizado como un filtro de condensador. La regulación, o estabilización de la tensión a un valor establecido, se consigue con un componente denominado regulador de tensión, que no es más que un sistema de control a lazo cerrado que sobre la base de la salida del circuito ajusta el elemento regulador de tensión que en su gran mayoría este elemento es un transistor. Este transistor que dependiendo de la tipología de la fuente está siempre polarizado, actúa como resistencia regulable mientras el circuito de control juega con la región activa del transistor para simular mayor o menor resistencia y por consecuencia regulando el voltaje de salida. Este tipo de fuente es menos eficiente en la utilización de la potencia suministrada dado que parte de la energía se transforma en calor por efecto Joule en el elemento regulador (transistor), ya que se comporta como una resistencia variable. A la salida de esta etapa a fin de conseguir una mayor estabilidad en el rizado se encuentra una segunda etapa de filtrado (aunque no obligatoriamente, todo depende de los requerimientos del diseño), esta puede ser simplemente un condensador. Esta corriente abarca toda la energía del circuito, para esta fuente de alimentación deben tenerse en cuenta unos puntos concretos a la hora de decidir las características del transformador.

Fuentes de alimentación conmutadas

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Conectores de la fuente de alimentación ATX2 para PC:
(1) mini molex para FDD.
(2) Molex universal: para dispositivos IDE, HDD y unidad de disco óptico.
(3) para dispositivos SATA.
(4) para tarjetas gráficas de 8 pines, separable para 6 pines.
(5) para tarjeta gráfica de 6 pines.
(6) para placa base de 8 pines.
(7) para CPU P4, combinado para el conector de la placa base de 8 pines a 12V.
(8) ATX2 de 24 pines.

Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma la energía eléctrica mediante transistores en conmutación.[5]​ Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 kHz típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (cerrados). La forma de onda cuadrada resultante se aplica a transformadores con núcleo de ferrita (los núcleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias) para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna (CA) que luego son rectificados (con diodos rápidos) y filtrados (inductores y condensadores) para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). Las ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del núcleo, mayor eficiencia y por lo tanto menor calentamiento. Las desventajas comparándolas con fuentes lineales es que son más complejas y generan ruido eléctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuentes.

Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador y salida.

La regulación se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito PWM (pulse width modulation) que cambia el ciclo de trabajo. Aquí las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador convierte la señal alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser también un filtro de condensador o uno del tipo LC.

Las ventajas de las fuentes lineales son una mejor regulación, velocidad y mejores características EMC. Por otra parte las conmutadas obtienen un mejor rendimiento, menor coste y tamaño.

Fuentes de alimentación de CA

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Una fuente de alimentación de CA generalmente toma el voltaje de una toma de corriente de pared (fuente de alimentación) y usa un transformador para aumentar o reducir el voltaje al voltaje deseado. También puede tener lugar algún filtrado. En algunos casos, el voltaje de la fuente es el mismo que el voltaje de salida; esto se llama un transformador de aislamiento. Otros transformadores de fuente de alimentación de CA no proporcionan aislamiento de red; estos se llaman autotransformadores; un autotransformador de salida variable se conoce como variac. Otros tipos de fuentes de alimentación de CA están diseñadas para proporcionar una corriente constante y el voltaje de salida puede variar según la impedancia de la carga. En los casos en que la fuente de alimentación es de corriente continua (como una batería de almacenamiento de automóvil), se puede usar un inversor y un transformador elevador para convertirla en alimentación de CA. La alimentación de CA portátil puede ser proporcionada por un alternador impulsado por un motor diésel o de gasolina (por ejemplo, en un sitio de construcción, en un automóvil o barco, o generación de energía de respaldo para servicios de emergencia) cuya corriente pasa a un regulador circuito para proporcionar un voltaje constante en la salida. Algunos tipos de conversión de alimentación de CA no utilizan un transformador. Si el voltaje de salida y el voltaje de entrada son los mismos, y el propósito principal del dispositivo es filtrar la energía de CA, puede llamarse acondicionador de línea. Si el dispositivo está diseñado para proporcionar energía de respaldo, puede llamarse fuente de alimentación ininterrumpida. Se puede diseñar un circuito con una topología de multiplicador de voltaje para aumentar directamente la alimentación de CA; anteriormente, tal aplicación era un tubo de vacío receptor de CA/CC.

En el uso moderno, las fuentes de alimentación de CA se pueden dividir en sistemas de monofásico y trifásico. Las fuentes de alimentación de CA también se pueden utilizar para cambiar la frecuencia y el voltaje. Los fabricantes suelen utilizarlas para comprobar la idoneidad de sus productos para su uso en otros países. 230 V 50 Hz o 115 60 Hz o incluso 400 Hz para pruebas de aviónica.

Adaptador de CA

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Cargador de teléfono móvil de modo conmutado

Un adaptador de CA es una fuente de alimentación integrada en un enchufe de alimentación de CA. Los adaptadores de CA también se conocen por otros nombres, como "paquete de enchufes" o "adaptador de enchufe", o por términos de jerga como "verruga de pared". Los adaptadores de CA suelen tener una sola salida de CA o CC que se transmite a través de un cable fijo a un conector, pero algunos adaptadores tienen varias salidas que se pueden transmitir a través de uno o más cables. Los adaptadores de CA "universales" tienen conectores de entrada intercambiables para adaptarse a diferentes voltajes de red de CA.

Los adaptadores con salidas de CA pueden consistir solo en un transformador pasivo (más algunos diodos en adaptadores de salida de CC), o pueden emplear circuitos de modo de conmutación. Los adaptadores de CA consumen energía (y producen campos eléctricos y magnéticos) incluso cuando no están conectados a una carga; por esta razón, a veces se los conoce como "vampiros eléctricos" y se pueden conectar a regletas de enchufes para permitir que se enciendan y apaguen convenientemente.

Fuente de alimentación programable

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Fuentes de alimentación programables

Una fuente de alimentación programable (programmable power supply o PPS) es aquella que permite el control remoto de su funcionamiento a través de una entrada analógica o interfaz digital como RS-232 o GPIB. Las propiedades controladas pueden incluir voltaje, corriente y, en el caso de fuentes de alimentación de salida de CA, frecuencia. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las pruebas de equipos automatizados, el control del crecimiento de cristales, la fabricación de semiconductores y los generadores de rayos X.

Las fuentes de alimentación programables suelen emplear un microordenador integral para controlar y monitorear el funcionamiento de la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación equipadas con una interfaz de ordenador pueden usar protocolos de comunicación patentados o protocolos estándar y lenguajes de control de dispositivos como SCPI.

Especificaciones

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Una especificación fundamental de las fuentes de alimentación es el rendimiento, que se define como la potencia total de salida entre la potencia activa de entrada.[6]​ Como se ha dicho antes, las fuentes conmutadas son mejores en este aspecto.

El factor de potencia es la potencia activa entre la potencia aparente de entrada. Es una medida de la calidad de la corriente.

La fuente debe mantener la tensión de salida al voltaje solicitado independientemente de las oscilaciones de la línea, regulación de línea o de la carga requerida por el circuito, regulación de carga.

Fuentes de alimentación especiales y peligros asociados

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Entre las fuentes de alimentación alternas, tenemos aquellas en donde la potencia que se entrega a la carga está siendo controlada por transistores, los cuales son controlados en fase para poder entregar la potencia requerida a la carga.

Otro tipo de alimentación de fuentes alternas, catalogadas como especiales son aquellas en donde la frecuencia es variada, manteniendo la amplitud de la tensión logrando un efecto de fuente variable en casos como motores y transformadores de tensión.

Abstenerse de acercar los dedos mojados, o de acercar objetos metálicos entre los condensadores por el peligro de descarga eléctrica.

Gestión térmica

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La fuente de alimentación de un sistema eléctrico tiende a generar calor. Cuanto mayor sea la eficiencia, más calor se extrae de la unidad. Hay muchas formas de gestionar el calor de una fuente de alimentación. Los tipos de enfriamiento generalmente se dividen en dos categorías: convección y conducción. Los métodos de convección comunes para enfriar las fuentes de alimentación electrónicas incluyen flujo de aire natural, flujo de aire forzado u otro flujo de líquido sobre la unidad. Los métodos comunes de enfriamiento por conducción incluyen disipadores de calor, placas frías y compuestos térmicos.

Protección de sobrecarga

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Las fuentes de alimentación a menudo tienen protección contra cortocircuitos o sobrecarga que podría dañar la fuente o provocar un incendio. Los fusibles y los disyuntores son dos mecanismos comúnmente utilizados para la protección contra sobrecargas.[7]

Un fusible contiene un trozo corto de alambre que se derrite si fluye demasiada corriente. Esto desconecta efectivamente la fuente de alimentación de su carga y el equipo deja de funcionar hasta que se identifica el problema que causó la sobrecarga y se reemplaza el fusible. Algunas fuentes de alimentación usan un enlace de cable muy delgado soldado en su lugar como fusible. Los fusibles en las unidades de fuente de alimentación pueden ser reemplazables por el usuario final, pero los fusibles en los equipos de consumo pueden requerir herramientas para acceder y cambiar.

Un disyuntor contiene un elemento que calienta, dobla y activa un resorte que cierra el circuito. Una vez que el elemento se enfría y se identifica el problema, se puede restablecer el interruptor y restaurar la energía.

Algunas fuentes de alimentación utilizan un corte térmico enterrado en el transformador en lugar de un fusible. La ventaja es que permite extraer más corriente durante un tiempo limitado de lo que la unidad puede suministrar continuamente. Algunos de estos recortes se restablecen automáticamente, algunos son de un solo uso.

Limitación de corriente

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Algunos suministros usan limitación de corriente en lugar de cortar la energía si se sobrecargan. Los dos tipos de limitación de corriente utilizados son la limitación electrónica y la limitación de impedancia. El primero es común en las PSU de mesa de laboratorio, el segundo es común en suministros de menos de 3 vatios de salida.

Un limitador de corriente plegable reduce la corriente de salida a mucho menos que la corriente máxima sin falla.

Aplicaciones

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Las fuentes de alimentación son un componente fundamental de muchos dispositivos electrónicos y, por lo tanto, se utilizan en una amplia gama de aplicaciones. Esta lista es una pequeña muestra de las múltiples aplicaciones de las fuentes de alimentación.

Ordenadores

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Una fuente de alimentación de un ordenador moderno es una fuente de alimentación conmutada que convierte la alimentación de CA de la red eléctrica en varios voltajes de CC. Los suministros de modo conmutado reemplazaron a los suministros lineales debido a mejoras en el costo, el peso, la eficiencia y el tamaño. La diversa colección de voltajes de salida también tiene requisitos de consumo de corriente muy variables.

Vehículos eléctricos

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Los vehículos eléctricos son aquellos que dependen de la energía creada a través de la generación de electricidad. Una unidad de fuente de alimentación es parte del diseño necesario para convertir la energía de la batería del vehículo de alto voltaje.

Soldadura

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La soldadura por arco usa electricidad para unir metales derritiéndolos. La electricidad es proporcionada por una "fuente de alimentación de soldadura", y puede ser CA o CC. La soldadura por arco requiere altas corrientes típicamente entre 100 y 350 amperios. Algunos tipos de soldadura pueden usar tan solo 10 amperios, mientras que algunas aplicaciones de soldadura por puntos emplean corrientes de hasta 60 000 amperios durante un tiempo extremadamente corto. Las fuentes de alimentación de soldadura consistían en transformadores o motores que impulsaban generadores eléctricos; El equipo de soldadura moderno utiliza el semiconductor y puede incluir control de microprocesador.

Aviones

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Tanto los sistemas de aviónica comerciales como militares requieren una fuente de alimentación de CC-CC o CA/CC para convertir la energía en voltaje utilizable. A menudo, estos pueden operar a 400 Hz para ahorrar peso.

Automatización

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Esto se refiere a transportadores, líneas de montaje, lectores de códigos de barras, cámaras, motores, bombas, fabricación semifabricada y más.

Medicina

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Estos incluyen ventiladores, bombas de infusión, instrumentos quirúrgicos y dentales, imágenes y camas.

Galería de imágenes

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Véase también

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Referencias

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  1. Montaje de componentes y periféricos microinformáticos. IFCT0108. En Google libros.
  2. a b Nieves, Antonio Aguilera (26 de abril de 2011). Montaje y mantenimiento de los sistemas de control y regulación de parque eólico. Editorial Vértice. ISBN 9788499312934. Consultado el 14 de febrero de 2018. 
  3. Castillo, Juan Carlos Martín (2017). Transformadores (Electrotecnia). Editex. ISBN 9788491612629. Consultado el 14 de febrero de 2018. 
  4. CRESPO, JORGE LÓPEZ (2015). Módulo 4. Fundamentos de electrónica. Ediciones Paraninfo, S.A. ISBN 9788428336628. Consultado el 14 de febrero de 2018. 
  5. Nieves, Antonio Aguilera (26 de abril de 2011). Montaje y mantenimiento de los sistemas de control y regulación de parque eólico. Editorial Vértice. ISBN 9788499312934. Consultado el 14 de febrero de 2018. 
  6. USERS, Staff (1 de mayo de 2014). ELECTRÓNICA - Plataformas Arduino y Raspberry Pi: Plataformas Arduino y Raspberry Pi. USERS. ISBN 9789871949564. Consultado el 14 de febrero de 2018. 
  7. Malmstadt, Enke and Crouch, Electronics and Instrumentation for Scientists, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN 0-8053-6917-1, Chapter 3.

Enlaces externos

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