Fuente de alimentación conmutada
Una fuente de alimentación conmutada es una fuente de alimentación eléctrica cuya regulación está asegurada por componentes electrónicos de potencia utilizados en la conmutación (generalmente transistores ). Este modo de funcionamiento difiere del de las fuentes de alimentación lineales en las que los componentes electrónicos se utilizan en modo lineal. Una fuente de alimentación de conmutación de tipo directo es una fuente de alimentación que transmite energía instantáneamente, mientras que una de tipo flyback almacena esta energía en forma de energía magnética en un inductor (bobina) y luego libera esta energía en un llamado circuito secundario.
Las fuentes de alimentación conmutadas se han desarrollado considerablemente desde la década de 1980 para superar los inconvenientes de las fuentes de alimentación lineales: alto peso y baja eficiencia. Ahora se utilizan en todos los dispositivos electrónicos de "consumo".
Clasificación
Las fuentes de alimentación conmutadas se pueden clasificar según varios criterios: topología del circuito, aislamiento, componentes utilizados, etc. .
| Tipo | Potencia ( vatios ) | Rendimiento típico | Costo medio | Voltaje de entrada ( voltios ) | Aislamiento | Almacen de energia | Nivel de salida | Caracteristicas |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Dólar | 0-1000 | 75% | 1.0 | 5–1000 * | No | Inductor único | Vs <Ve | Convierte un voltaje de CC en otro voltaje de CC de menor valor. |
| Aumentar | 0-150 | 78% | 1.0 | 5-600 * | No | Inductor único | Vs> Ve | Aumenta el voltaje disponible de una fuente de CC. |
| Buck-boost | 0-150 | 78% | 1.0 | 5-600 * | No | Inductor único | Vs> Ve o Vs <Ve | Voltaje de salida invertido. |
| Volar de vuelta | 0-150 | 78% | 1.0 | 5-600 | sí | Transformador | Vs> Ve o Vs <Ve | Múltiples salidas. |
| Medio Adelante | 0-250 | 75% | 1.2 | 5-500 | sí | Transformador + inductancia | ||
| Hacia adelante | 78% | sí | Transformador + inductancia | Múltiples salidas. | ||||
| Empujar tirar | 100–1000 | 72% | 1,75 | 50–1000 | sí | |||
| Medio puente | 0–500 | 72% | 1,9 | 50–1000 | sí | |||
| Puente completo | 400-2000 | 69% | > 2.0 | 50–1000 | sí | |||
| Resonante, a voltaje cero | > 1000 | > 2.0 | ||||||
| Ćuk | No | Condensador + 2 inductores | Vs> Ve o Vs <Ve | Voltaje negativo para una entrada positiva. | ||||
| Bomba de carga inversa (Ćuk modificado) | No | Inductor único | Tensión de salida negativa y de mayor amplitud que la tensión de entrada. | |||||
| SEPIC | No | 2 inductores | Vs> Ve o Vs <Ve | |||||
| Bomba de carga | 49% - 99% | No | Solo condensadores | Se utiliza para generar voltajes muy altos ( multiplicadores de voltaje ) o en circuitos integrados de baja potencia (por ejemplo, para polarizar memorias). |
Notas: * solo para equipos no accesibles a los operadores; de lo contrario, los límites de 42,5 V y 8,0 A se aplican a las normas de seguridad eléctrica UL , CSA , VDE o IEC 60950 .
Operación detallada
Elementos constitutivos
La siguiente fotografía muestra los elementos principales de una fuente de alimentación conmutada.
Elementos principales:
- Conector de red de 230 V ;
- Fusible de protección;
- Filtro EMI, con bobina de choque ;
- Puente de diodos ;
- Condensador de filtro , almacena energía para la etapa de conmutación;
- Transistor de conmutación (tecnología MOS) montado en un disipador de calor ;
- Transformador o circuitos acoplados magnéticamente: dispositivo que permite modificar el nivel de tensión y en ocasiones el aislamiento de las partes de alta y baja tensión;
- Diodo Schottky (conmutación rápida) montado en un disipador de calor;
- Condensador de filtro;
- Bobina de filtro;
- Circuito de control del optoacoplador ;
- Optoacoplador. Asegura el aislamiento de las partes de alta y baja tensión;
- Cortar circuito de control de transistor;
- Salida de potencia.
Elementos opcionales:
15. Regulador de voltaje de conmutación montado en un disipador de calor. Cuando desee tener varios voltajes de salida, este componente se coloca en la línea de salida principal de la fuente de alimentación conmutada. Otra solución es agregar un devanado al transformador. Sin embargo, esto requiere agregar una etapa de filtrado que puede resultar engorrosa. Por lo tanto, para corrientes bajas (aquí 1,5 A ), se utilizan circuitos integrados.
Convertidor flyback
Comparación con fuentes de alimentación lineales
Las fuentes de alimentación de modo conmutado ofrecen muchas ventajas sobre las fuentes de alimentación lineales:
- la potencia disipada en el componente electrónico utilizado en la conmutación es menor que cuando se utiliza en modo lineal. En consecuencia, la eficiencia de la fuente de alimentación es mejor y el disipador de calor es de dimensiones mucho más pequeñas;
- el transformador opera a una frecuencia mucho más alta que la de la red (más allá de 20 kHz contra 50 o 60 Hz ), lo que permite reducir considerablemente su tamaño (ver fórmula de Boucherot ).
A la misma potencia, las fuentes de alimentación conmutadas son mucho más pequeñas y ligeras que las fuentes de alimentación lineales y tienen una eficiencia mucho mejor.
Sin embargo, también tienen algunos inconvenientes:
- los componentes utilizados deben tener características más críticas: transistores de baja pérdida a las frecuencias de conmutación utilizadas, condensadores electroquímicos con mayor voltaje de funcionamiento y resistencia a alta ondulación (modelos de baja ESR, núcleos magnéticos de baja pérdida, etc.);
- el circuito de entrada soporta mayores tensiones eléctricas (picos de tensión o corriente), que pueden llevar a su destrucción;
- generan un ruido electromagnético relativamente alto, debido a la señal rectangular (rica en armónicos) en la frecuencia de conmutación. Esta limitación los hace inadecuados para determinadas aplicaciones.
Notas
Bibliografía
- Michel Girard, Fuentes de alimentación conmutadas: Curso y ejercicios corregidos , París, Dunod ,2003, 336 p. ( ISBN 2-10-006940-3 y 978-2100069408 )
- Jean-Paul Ferrieux y François Forest, Fuentes de alimentación conmutadas: convertidores de resonancia, principios, componentes, modelado , Dunod ,2006, 316 p. ( ISBN 2-10-050539-4 y 978-2100505395 )