FUENTES LINEALES Y CONMUTADAS

Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación . 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 (100-500 Kilociclos típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (Cerrados). La forma de onda cuadrada resultante es aplicada 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 capacitores)para obtener los voltajes de salida de corriente continua (CC). Las ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del núcleo, mayor eficiencia por lo tanto menor calentamiento. Las desventajas comparándolas con fuentes lineales es que son mas complejas y generan ruido eléctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuente.

CLASIFICACION

Las fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos:
alimentación de CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro
(Ej: fuente de alimentación de ordenador de mesa)
alimentación de CA, salida CA: conversor de frecuencia, conversor de voltaje.
(Ej, variador de motor)
alimentación de CC, salida CA: Inversor
(Ej: generar 220v/50ciclos a partir de una batería de 12v)
alimentación de CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente.
(Ej: cargador de baterías de celulares para auto).

COMPARACION ENTRE FUENTES CONMUTADAS Y LINEALES

-Tamaño y peso – las fuentes de alimentación lineales utilizan un transformador funcionando a la frecuencia de 50 o 60 hertzios. Este transformador de baja frecuencia es varias veces más grande y más pesado que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el cual funciona en frecuencias típicas de 50 kilociclos a 1 megaciclo.La tendencia de diseño es de utilizar frecuencias cada vez mas altas mientras los transistores lo permitan para disminuir el tamaño de los componentes pasivos (capacitores inductores trasnformadores).
Voltaje de la salida – las fuentes de alimentación lineales regulan la salida usando un voltaje más alto en las etapas previas y luego disipando energía como calor para producir un voltaje más bajo, regulado. Esta caída de voltaje es necesaria y no puede ser eliminada mejorando el diseño. Las fuentes conmutadas pueden producir voltajes de salida que son más bajos que el voltaje de entrada, más altos que el voltaje e incluso inversos al voltaje de entrada, haciéndolos versátiles y mejor adaptables a voltajes de entrada variables.

-Eficiencia, calor, y energía disipada - Una fuente lineal regula el voltaje o la corriente de la salida disipando el exceso de energía como calor, lo cual es ineficaz. Una fuente conmutada 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 conmutadas, se apagan y se encienden los transistores completamente. Así, idealmente, las fuentes conmutadas son 100% eficientes. El único calor generado se da por las características no ideales de los componentes. Pérdidas en la conmutación en los transistores, resistencia directa de los transistores saturados, resistencia serie equivalente en el inductor y los condensadores, y la caída de voltaje por el rectificador bajan la eficiencia. Sin embargo, optimizando el diseño, la cantidad de energía disipada y calor pueden ser reducidos al mínimo. Un buen diseño puede tener una eficiencia de conversión de 95%. Típicamente 75-85% en fuentes de entre 10-50W.Las fuentes conmutadas mas eficientes utilizan rectificación síncrona con transistores Mosfet saturados en el momento adecuado en vez de diodos.

-Complejidad - un regulador lineal consiste en última instancia un transistor de potencia, un CI de regulación de voltaje y un condensador de filtro de ruido। En cambio una fuente conmutada contiene típicamente un CI regulador, uno o varios transistores y diodos de potencia como así también un transformador, inductores, y condensadores de filtro. Múltiples voltajes se pueden generar a partir del mismo núcleo de transformador. Para ello se utiliza el control por ancho de pulso de entrada aunque las diferentes salidas pueden tener dificultades para la regulación de carga. Ambos necesitan una selección cuidadosa de sus transformadores. En las fuentes conmutadas debido al funcionamiento a altas frecuencias las perdidas en las pistas del circuito impreso por inductancia de perdida y las capacidades parásitas llegan a ser importantes.

-Interferencia por radiofrecuencia - La corriente en las fuentes conmutadas tiene cambios abruptos , y contiene una proporción grande de componentes espectrales de alta frecuencia। Cables o pistas largas entre los componentes pueden reducir la eficacia de alta frecuencia de los filtros a condensadores en la entrada y salida। Esta corriente de alta frecuencia puede generar interferencia electromagnética indeseable. Filtros EMI y blindajes de RF son necesarios para reducir la interferencia. Las fuentes de alimentación lineales no producen generalmente interferencia, y se utilizan para proveer de energía donde la interferencia de radio no debe ocurrir.

-Ruido electrónico en los terminales de salida de fuentes de alimentación lineales baratas con pobre regulación se puede experimentar un voltaje de CA Pequeño “montado” sobre la CC. de dos veces la frecuencia de alimentación (100/120 Ciclos). Esta “ondulación” (Ripple en Inglés) está generalmente en el orden de varios milivoltios, y puede ser suprimido con condensadores de filtro mas grandes o mejores reguladores de voltaje. Este voltaje de CA Pequeño puede causar problemas o interferencias en algunos circuitos; por ejemplo, cámaras fotográficas análogas de seguridad alimentadas con este tipo de fuentes pueden tener la modulación indeseada del brillo y distorsiones en el sonido que produce zumbido audible. Las fuentes de alimentación lineales de calidad suprimirán la ondulación mucho mejor. En cambio las Fuentes conmutadas no exhiben generalmente la ondulación en la frecuencia de la alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas frecuencias. El ruido está generalmente relacionado con la frecuencia de la conmutación.

-Ruido acústico - Las fuentes de alimentación lineales emiten típicamente un zumbido débil, en la baja frecuencia de alimentación, pero ésta es raramente audible (la vibración de las bobinas y las chapas del núcleo del transformador suelen ser las causas ). Las Fuentes conmutadas con su funcionamiento mucho más alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres humanos (a menos que tengan un ventilador, como en la mayoría de las computadoras personales). El funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, ya que genera ruido acústico en la frecuencia del oscilador.

-Factor de Potencia las Fuentes lineales tienen bajo factor de potencia porque la energía es obtenida en los picos de voltaje de la línea de alimentación.La corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la forma de onda del voltaje, sino que en forma similar a las fuentes lineales la energía es obtenida solo de la parte mas alta de la onda sinusoidal, por lo que su uso cada vez mas frecuente en computadoras personales y lámparas fluorescentes se constituyo en un problema creciente para la distribución de energía.Existen fuentes conmutadas con una etapa previa de corrección del factor de potencia que reduce grandemente este problema y son de uso obligatorio en algunos países particularmente europeos a partir de determinadas potencias.

-Ruido eléctrico sobre la línea de la alimentación principal puede aparecer ruido electrónico de conmutación que puede causar interferencia con equipos de A/V conectados en la misma fase. Las fuentes de alimentación lineares raramente presentan este efecto. Las fuentes conmutadas bien diseñadas poseen filtros a la entrada que minimizan la interferencia causada en la línea de alimentación principal.

PRUEBA Y PROTECCION DE FUENTES CONMUTADAS

Al reparar aparatos electrónicos con fuente conmutada (llamadas también popularmente: "swichadas", derivado de su denominación en Inglés: switched power supply), en muchos casos, encontramos que resulta necesario probarlas desligadas o desconectadas del resto del equipo, para verificar si funcionan correctamente y proporcionan los voltajes adecuados.Pero ... Cuidado !! , algunas fuentes de alimentación de este tipo, no pueden ponerse a funcionar en vacío, sin carga o consumo en su salida.Por otra parte, aunque se trate de una fuente que por su diseño, puede funcionar sin carga, probarla de esa manera no nos da la seguridad, de que mantendrá su funcionamiento y voltaje adecuado cuando esté conectada al resto del equipo.
Por ello, lo recomendable, es probarlas siempre con un consumo o carga adecuada, similar a la que tendrá durante su desempeño normal en el equipo del cual forma parte.
Se describe aquí, una alternativa sencilla, pero muy utilizada para la prueba de fuentes conmutadas, especialmente en Televisores y Monitores de PC de TRC (Tubo de Rayos Catódicos o Cinescopio).Básicamente, se trata de desconectar o eliminar, temporalmente el consumo en la línea de +B (o B+), que alimenta la etapa de salida horizontal (la de mayor consumo en TV y monitores), y conectar como carga o consumo, un bombillo (bombilla, lámpara, foco) incandescente de uso corriente para iluminación domestica y de potencia adecuada (ver la tabla más adelante).
En las Figuras 1 y 2, se muestran dos maneras de realizar esto.La primera (figura 1) se puede aplicar, tanto en TV y monitores de PC. Se desconecta o "abre" el circuito o línea de +B, se conecta el bombillo o foco, como se muestra en la imagen y se procede a encender la fuente. Si funciona, el bombillo encenderá y mediante el multímetro (tester) se podrá verificar si el voltaje es el correcto para esa fuente.
El segundo método (figura 2) es aplicable solamente en televisores. Se desconecta o retira el transistor de salida horizontal (HOT) y se conecta allí el bombillo, entre los puntos donde estaban conectados el Emisor y Colector de dicho transistor. Se procede a encender la fuente y medir el voltaje que entrega.Este método es práctico, cuando se ha encontrado el transistor de salida horizontal en corto. Al retirarlo, se puede realizar la prueba para verificar si la fuente funciona y si entrega el voltaje correcto, antes de instalar el nuevo transistor.


Consideraciones importantes

En algunos casos, puede ocurrir que al encender el equipo para realizar la prueba, aparezca el voltaje y el bombillo encienda, solo por unos segundos, para luego apagarse.Esto es normal en algunos equipos, en los que por su diseño, la fuente es controlada (ON-OFF) desde el microcontrolador. Ocurre que el "micro" vigila (entre otros) los circuitos de horizontal y/o vertical y al detectar que no funcionan, apaga el equipo. Lo cual es lógico que ocurra en esos casos, pues hemos desconectado temporalmente la etapa horizontal.Sin embargo, para los fines de la prueba, esos pocos segundos de encendido, son suficientes para verificar si el voltaje que entrega la fuente es del valor correcto, especificado en el diagrama o manual de servicio del equipo, lo que nos indicará que la fuente está funcionado correctamente.
Si el voltaje medido durante la prueba, es de un valor diferente del especificado para esa fuente, se debe buscar la causa y solucionarla antes de conectarla a los circuitos que debe alimentar. (una diferencia de menos del 5%, podría ser normal)
Este método de prueba no es aplicable a algunas fuentes conmutadas que utilizan "realimentación" o pulsos de referencia desde el Flyback, como ocurre en algunos modelos de TV Sharp. Sin embargo, funciona para la gran mayoría (más del 94%) de los TV y monitores.

ETAPAS DE LAS FUENTES

Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:

En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una continua pulsante. El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), La cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador. Luego el segundo bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una continua pura.
El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión contínua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia. Aclaración: ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.
En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el cuarto bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y en segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados.
El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendrá configuraciones básicas: BUCK , BOOST, BUCK-BOOST.

Buck: el circuito interrumpe la alimentación y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensión aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulación se ejecuta mediante la simple variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta regulación es suficiente y sólo se deberá ajustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión de saturación de los transistores de conmutación.

Bost: el funcionamiento es más complejo. Mientras el Buck almacena la energía en una bobina y éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga.

Buck-Boost: los sistemas conocidos como Flyback son una evolución de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia। El verdadero sistema Boost sólo puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensión de salida que la de entrada.
En el análisis de los sistemas Boost comenzamos por saber que la energía que se almacena en la inductancia es entregada como una cantidad fija de potencia a la carga: Po = ( L I² fo) / 2 ; I es la corriente de pico en la bobina, fo es la frecuencia de trabajo, L es el valor de la inductancia. Este sistema entrega siempre una cantidad fija de potencia a la carga sin fijarse en la impedancia de la carga, por eso es que el Boost es muy usado en sistemas de flash fotográficos o en sistemas de ignición del automotor para recargar la carga capacitiva, también es usado como un muy buen cargador de baterías. Pero cuando necesitamos alimentar un sistema electrónico con carga resistiva debemos conocer muy bien el valor de resistencia para poder calcular el valor de la tensión de salida: Vo = ( Po.Rl )^½ = I ( ½ L fo Rl )^½, donde Rl es el valor de resistencia del circuito. En este caso la corriente de la bobina es proporcional al tiempo de conectado o al ciclo de trabajo del conmutador y la regulación para cargas fijas se realiza por variación del ciclo de trabajo.

CONFIGURACIONES BÁSICAS RECOMENDADAS

Las configuraciones más recomendadas por los fabricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad y calidad। Son muy comunes las siguientes configuraciones:

CIRCUITO - POTENCIA
Convertidores DC (Buck) - 5 Watts
Flyback - 50 Watts
Forward (Boost) - 100 Watts
Half-Bridge - 200 Watts
Full-Bridge - 500 Watts
FLYBACK Y FORWARD (BOOST):
Rango desde 50 hasta 250 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 5.5 Pout / Vin (FLYBACK)
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección.

Configuración básica:

En el regulador flyback se puede variar sutilmente el modo de trabajo, contínuo o discontinuo।
Modo Discontínuo: es el modo Boost estrictamente, donde la energía se vacía completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse.
Modo Contínuo: antes que la bobina se vacié enciende nuevamente el transistor। La ventaja de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.

El regulador Forward difiere del Flyback en que agrega un diodo más para ser usado como diodo de libre rodado en el filtro LC y un devanado más en el transformador para lograr el reestablecimiento. Gracias a todo esto puede entregar potencia a la carga mientras el transistor está encendido. El ciclo de trabajo no puede superar el 50%.

PUSH-PULL:
Rango desde 100 hasta 500 vatios।
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección.

Configuración básica

HALF-BRIDGE:
Rango desde 100 hasta 500 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.8 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección

Configuración básica:

Opcionalmente agregando un capacitor de acoplamiento:

FULL-BRIDGE:
Rango desde 500 hasta 1000 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección.

Configuración básica:

Fuentes conmutadas vs fuentes lineales

Básicamente existen dos formas de realizar una fuente de alimentación regulada.
Una de ellas consiste en hacer una fuente que entregue mayor tensión de la requerida a la salida. Entre la fuente y la carga se coloca un dispositivo regulador que no hace otra cosa que disminuir la tensión de la fuente hasta un valor deseado manteniéndolo constante. Para lograr esto, se utilizan transistores que trabajan como resistencias variables. De esta manera, parte de la potencia de la fuente llega a la carga y parte se transforma en calor que se disipa luego en el aire.
A estos dispositivos se los denomina reguladores lineales y se caracterizan por generar bastante calor para potencias medianas y altas (figura 1)।

Otro tipo de reguladores son capaces de tomar de la fuente sólo la potencia que la carga requiere. De esta manera, prácticamente no hay potencia disipada en forma de calor y por ello su eficiencia es mucho mayor.
El principio de funcionamiento de estos reguladores consiste en transformar la tensión continua de la fuente en una serie de pulsos que tienen un ancho determinado. Estos pulsos son luego integrados y transformados nuevamente en una tensión continua. Variando el ancho de los pulsos es posible controlar la tensión de salida. A los reguladores que emplean este principio se los denomina reguladores conmutados (figura 2).

Como podrán imaginar la complejidad circuital de los reguladores conmutados había relegado su uso, hasta no hace mucho tiempo, al campo de las altas potencias o aplicaciones especiales. Sin embargo ahora se cuenta con circuitos integrados que facilitan y reducen los costos de este tipo de reguladores con lo cual su uso se ha extendido enormemente en los últimos años.