La red eléctrica que llega a las casas es una corriente alterna (corriente eléctrica que cambia repetidamente de polaridad). Gran parte de los productos que se conectan a la red no pueden trabajar con esa corriente, sino que debe ser modificada. Para ello, se utilizan las fuentes de alimentación que se encargan de adaptar la corriente a cada equipo, rectificarla, estabilizarla y aislarla.
Un ejemplo sería el cargador para el teléfono móvil. Cuando queremos cargar el teléfono móvil, el adaptador se conecta a la red eléctrica y éste convierte la corriente de la red en 5Vdc a la salida.
Para entender el funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada, existe un libro muy interesante titulado “Fuentes de alimentación conmutadas en la práctica”, de Eugenio Nieto Vilardell (fidestec.com). Si no lo conocéis, os animamos a que os hagáis con él.
En este artículo vamos a ver, de una forma general, los diferentes bloques en los que se divide una fuente de alimentación conmutada:
- Protecciones a la entrada
- Filtro EMC
- Rectificador primario
- Corrección del factor de potencia
- Filtro primario
- Transistor
- Controlador
- Transformador
- Rectificador secundario
- Filtro secundario
- Estabilizador de tensión
Protecciones a la entrada:
Las protecciones en la entrada tienen una doble función: proteger al circuito de alteraciones en la red que pudiesen provocar que llegase una tensión de alterna directa quemando los componentes, y proteger a la red de averías en el circuito; evitando riesgos de incendio y electrocución. Para ello, se utilizan:
Condensadores de baja capacidad: Dejan pasar solamente corrientes de alta frecuencia. De esta forma, sirven de aislantes para los picos parásitos de la red, que pasan a través de los condensadores y los devuelven a la red. Estos condensadores también filtran los ruidos de alta frecuencia.
Fusibles: Los fusibles se colocan a la entrada para que se funda cuando la intensidad supere un determinado valor que pueda perjudicar al circuito.
Varistor: Se utiliza como limitador de voltaje. Los varistores tienen un valor nominal expresado en voltios. Cuando la tensión aplicada supera este valor, el varistor se cortocircuita impidiendo que pase la corriente a través del resto de componentes.
NTC: Es una resistencia que varía en función de la temperatura. Se encarga de limitar la corriente variando su resistencia.
Filtro EMC:
Su función es absorber los problemas eléctricos de la red y no emitir interferencias a través de ésta. Debido a los picos de tensión que las fuentes generan al conectar y desconectar los aparatos, es necesario colocar este filtro.
A modo resumen, las bobinas evitan el paso de la corriente de alta frecuencia, y los condensadores, de la de baja frecuencia. Por ello, este tipo de circuitos suele estar formado por varias bobinas en serie, condensadores en paralelo o combinación de ambos.
Rectificador primario:
Permite el paso de la corriente en un único sentido, es decir, la corriente alterna se convierte en corriente pulsante.
Diodos: Los diodos permiten sólo el paso de la corriente en un único sentido. De esta forma se eliminaría los semiciclos positivos o negativos de la corriente alterna. A este tipo de circuitos se le denomina rectificador de media onda.
Para aprovechar al máximo la corriente de entrada y no perder “parte” de ella, se crean disposiciones con los diodos (llamados puentes rectificadores) que invierten el signo de uno de los semiciclos.
Corrección del factor de potencia:
El desfase y distorsionamiento de la tensión ocasiona que no se aproveche la potencia de la red. En un artículo anterior al blog, hablamos de qué es el factor de potencia y cómo compensarlo:
http://blog.fullwat.com/que-es-el-factor-de-potencia/
Filtro primario:
Una vez tenemos la onda rectificada con ambos semiciclos positivos, queremos conseguir una onda casi continua. Para ello, a la salida del puente rectificador, se coloca un condensador para que cuando pase corriente, el condensador se cargue y al entrar en la fase donde el diodo no conduce, la onda aproveche la energía del condensador para “suavizar” la onda.
La onda que se obtiene no llega a ser una onda continua (totalmente constante), sino que tiene una serie de altibajos. A esto se le denomina “rizado”. Contra menor sea éste, más se parecerá a una onda continua y por tanto, mejor calidad.
Las formas más comunes de eliminar el rizado son:
- Aumentar la capacidad del condensador: para que la caída de corriente sea más lenta
- Añadir una bobina en serie: para reforzar el efecto del condensador
Transistor:
Una vez tenemos la energía filtrada, necesitamos transformarla en corriente alterna para que funcione el transformador. Para esto, necesitamos un transistor que generará una serie de pulsos a muy alta velocidad, controlando así la corriente y consiguiendo una tensión de salida muy estable.
Controlador:
En el caso de las fuentes conmutadas, el control del transistor lo haremos mediante pulso PWM. Cuando la tensión supere un valor deseado, el controlador estrechará los pulsos de corriente y el transformador, en la siguiente etapa, recibirá menos corriente. Al caer la tensión de salida, el controlador aumentará el pulso, permitiendo el paso de más corriente.
De este modo se consigue que la tensión de salida se mantenga constante.
Ejemplo PWM:
En la imagen superior, se puede ver tres ondas con la misma frecuencia (periodo) pero anchos de pulso diferentes. El valor medio es la tensión rectificada y filtrada. Se puede ver que, a mayor ancho de pulso, mayor es el valor medio.
En esta etapa, el controlador también se puede encargar de la protección contra cortocircuito, sobretensión, etc.
Transformador:
A groso modo, la función del transformador es reducir o elevar la tensión y aislar la entrada de la salida. Está compuesto por dos bobinas que no están conectadas de forma eléctrica:
La bobina de entrada (bobinado primario), convierte la corriente en energía electromagnética, y la bobina de salida (bobinado secundario), al contrario. Cuanto más vueltas tenga la bobina, mayor cantidad de voltios recibidos convierte.
Hay que saber que la tensión de entrada es proporcional a la tensión de salida. Cambiando la relación de espiras de las bobinas, se puede cambiar la relación entre las tensiones. Por ejemplo:
El bobinado primario tiene 100 espiras y el secundario 10: relación 1:10 (la tensión de salida será menor que la entrada)
El bobinado primario tiene 10 espiras y el secundario 100: relación 1:100 (la tensión de salida será mayor que la entrada)
En el caso de tener en mismo número de espiras, la función del transformador es la de aislar la entrada de la salida.
Del mismo modo, si intercambiamos el bobinado primario por el secundario, también se invierte la función del transformador, que en lugar de reducir la tensión la aumentaría. De esta forma, podemos conseguir que con 24V a la entrada, en una relación 1:10, obtener 240V a la salida.
Rectificador secundario:
Una vez tengamos la tensión de salida del transformador, debemos “volver atrás” y convertirla en tensión continua. Al ser una corriente de alta frecuencia, no es tan importante utilizar un rectificador de media onda u onda completa ya que los cambios son muy rápidos, sino que el diodo que utilicemos sea ultrarrápido, como los diodos Schottky.
Filtro secundario:
Como en el caso de la etapa primaria, se debe filtrar la señal para eliminar el rizado lo máximo. Para ello se pueden utilizar bobinas y condensadores.
Estabilizador de tensión:
En la última etapa, se debe estabilizar la tensión de salida para que sea fija y estable. Para regular la tensión de salida, se varía la señal PWM para aumentarla y disminuirla según se requiera. El problema es que el regulador está en el bobinado primario y queremos medir la tensión en el secundario.
Como hemos indicado anteriormente, el transformador también se encarga de aislar ambas partes, por lo que no conviene unirlas. Aquí es donde entran en juego los optoacopladores que están formados por un diodo y un fototransistor. Cuando se aplica tensión al led, el diodo se ilumina y el fototransistor entra en conducción. De esta forma, se puede enlazar la salida de la fuente con el circuito de control, pero eléctricamente no están conectados.
Las corrientes que soporta un optoacoplador son bajas, por lo que haría falta un circuito adicional para manejar mayores potencias. Uno de los más habituales es el circuito TL431 (ficha técnica), el cual permite ajustar la tensión de referencia hasta 36V.
Cuando la tensión en el terminal REF sea superior a la tensión de referencia, el amplificador operacional activa su salida, momento en el cual el transistor entra en funcionamiento y conecta los terminales K-A.
Como ejemplo, queremos tener una fuente de alimentación conmutada que de 5V fijos a la salida. El funcionamiento del circuito de control / estabilizador de tensión sería el siguiente:
Las resistencias R1 y R2 funcionan como un divisor de tensión. En este caso, si queremos que la tensión de salida sea 5V (=Vi), R1 y R2 deberán tener valores idénticos para que la salida (nuestra tensión de referencia) sea 2,5V.
Como hemos indicado anteriormente, cuando la tensión REF sea superior a 2,5V, el transistor entra en conducción y se conectan los terminales A-K. Esto hace que el diodo del optoacoplador entre en conducción y se ilumine transfiriendo la información al fototransistor que, a su vez, informa al circuito para que varíe (aumentando o disminuyendo el ancho de pulso del PWM) para que esa tensión se regule a 2,5V.
Cuando la fuente se enciende lo hace a un voltaje nulo y rápidamente sube hasta llegar al voltaje nominal. Ese control se hace a través de la modulación PWM indicada anteriormente. Cuando la fuente está en condiciones normales, ese ancho de pulso normalmente es del 50%. Si se necesita algo más de tensión, el ancho del pulso aumenta hasta que se llegue a la tensión adecuada. En caso de superarla, el ancho se estrecha para bajar la tensión (ver apartado “Controlador”)
Este artículo sólo es un breve resumen de las partes más importantes de una fuente de alimentación conmutada. Existen funciones adicionales como las protecciones contra sobretensiones, sobre corriente, función stand by, etc, que podremos ver más adelante.
En FULLWAT disponemos de una amplia gama de fuentes de alimentación conmutadas (Catálogo fuentes de alimentación)
