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29 Ene 2016

FUENTE DE ALIMENTACIÓN. TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN

Fuente de alimentación, ¿lineal o conmutada?

Quizá alguna vez te hayas fijado en que, hace años, los cargadores de baterías para móviles y alimentadores para cualquier otro aparato, eran grandes, pesados y se calentaban mucho durante su uso mientras que, ahora, son más ligeros y compactos. Esto no es debido a una evolución de los mismos si no a que usan tecnologías completamente diferentes.

 Fuentes de alimentación. FdeT

Fuentes de alimentación

Antes de seguir, aclaremos unos conceptos. Lo que veis en la imagen superior suele ser llamado “cargadores”, “adaptadores”, “transformadores”… En realidad son fuentes de alimentación (externas), aunque no seré yo quien diga que lo anterior es incorrecto. Lo que hacen es transformar la corriente alterna de la red eléctrica a corriente continua, y a un voltaje inferior. Los cargadores de móviles no incluyen ningún mecanismo de carga como tal, esto está integrado en el teléfono, sólo alimentan al dispositivo con la tensión adecuada.

Las fuentes de alimentación clásicas, por la tecnología que utilizan, se les llama fuentes “lineales”, mientras que las más recientes se conocen como fuentes “conmutadas” o SMPS (Switched-Mode Power Supply). No me malinterpretéis, las fuentes conmutadas llevan décadas utilizándose pero, en los últimos años, están dominando el mercado. Ambas tecnologías consiguen el mismo objetivo, pero son aproximaciones completamente diferentes.

Todo aparato necesita alimentación eléctrica que puede ser externa, situada fuera del dispositivo y encapsulada en una carcasa de metal o plástico (p. ej. el cargador de un portátil), o interna, dentro del aparato, junto a los demás componentes (p. ej. TV).

Fuentes lineales

Fuentes de alimentación lineales. FdeT

Fuente de alimentación lineal

Los alimentadores tradicionales tienen este aspecto. Son voluminosos porque basan su funcionamiento en un transformador.

 

Transformador de tensión. FdeT

Transformador de tensión

 

Un transformador, además de ser voluminoso, es pesado y caro porque se fabrica con metales. Este dispositivo reduce la tensión alterna, que posteriormente se rectifica y estabiliza a continua. La electrónica necesaria para estas etapas no tiene mucha complejidad.

 

Componentes de un transformador de tensión alterna

Componentes de un transformador de tensión alterna

 

El motivo principal por el que suelen alcanzar altas temperaturas, sobre todo las fuentes de bajo coste, es que, dado el alto precio del transformador, se ajusta mucho a las especificaciones, de manera que, la corriente que se le demanda, roza los límites de diseño.

Una ventaja indiscutible es la mínima producción de ruido de alta frecuencia, lo que las hace muy adecuadas para aplicaciones en audio.

 

Fuentes conmutadas

Fuente de alimentación conmutada

Fuente conmutada: cargador de móvil

 

Las fuentes conmutadas no basan su funcionamiento en un transformador, aunque pueden contener uno. Su funcionamiento se basa en la conexión y desconexión de semiconductores (conmutación).

Fuente de alimentación conmutada. Gráfica del funcionamiento

Fuente de alimentación conmutada. Gráfica del funcionamiento simplificado (Voltios/Tiempo)

 

En la gráfica superior se muestra una señal continua que se ha obtenido de rectificar y estabilizar otra alterna. Para reducir el alto voltaje, las fuentes conmutadas sólo conducen momentáneamente, recortando la señal (gráfico central). Esto se promedia mediante filtros, de forma que se convierte en una tensión menor (gráfico inferior).

En un ejemplo ideal, si los semiconductores (p. ej. Transistores mosfet) conducen el 25% del periodo con el que conmutan, se obtendría el 25% de voltaje.

Existen diferentes tipos (topologías) de fuentes conmutadas. El ejemplo anterior es una simplificación de una fuente “step down” o “buck”, porque reduce el voltaje. También las hay que lo aumentan, o que pueden hacer ambas cosas. La elección depende principalmente de la intensidad y voltaje que son necesarios suministrar, y de si se requiere o no aislamiento entre la señal de entrada y la de salida.

Fuente de alimentación conmutada tipo Flyback

Fuente de alimentación conmutada tipo Flyback

 

La complejidad de estas fuentes es mayor que la de las lineales, conteniendo muchos más componentes, pero su coste es menor y son muy eficientes. La conmutación de los semiconductores se realiza a muy altas frecuencias, del orden de kilohercios, además, en estos circuitos hay bobinas, lo que propicia que se genere ruido de alta frecuencia. Para remediar esto, se introducen filtros a la salida y núcleos de ferrita en los cables.

Los audiófilos prefieren las fuentes lineales, pero, en la actualidad, las fuentes conmutadas tienen un diseño tan refinado que dan un buen resultado para aplicaciones de audio. ¿Te has fijado en lo ligeros que son algunos amplificadores/etapas de potencia/mini cadenas…, de potencia considerable, actuales?

Fuente de alimentación conmutada de PC basada en el tipo Forward

Fuente de alimentación conmutada de PC basada en el tipo Forward

 

El factor peso/potencia no es algo dramático en electrónica, pero sólo por afán comparativo: una fuente de alimentación conmutada de PC media, hoy en día, suele poder suministrar 700 W de potencia y pesa aproximadamente 1,5 kg, mientras que un transformador con la misma especificación puede llegar a pesar aprox. 5 kg si se trata de un transformador toroidal como el de la imagen siguiente, o ¡13 kg!, si es laminado, como el de la 3ª imagen. Imaginad también la diferencia en el precio.

Transformador toroidal

Transformador toroidal

AUTOR: PEDRO F. FERNÁNDEZ

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