¿Qué es una fuente de alimentación conmutada y en qué se diferencia de un análogo convencional?

En muchos aparatos eléctricos, el principio de implementar energía secundaria se ha aplicado durante mucho tiempo mediante el uso de dispositivos adicionales, a los que se les confía la función de proporcionar electricidad a los circuitos que necesitan energía de ciertos tipos de voltaje, frecuencia, corriente ...

Para esto, se crean elementos adicionales: fuentes de alimentacióntransformando el voltaje de un tipo en otro. Pueden ser:

• integrado en el caso del consumidor, como en muchos dispositivos con microprocesador;

• o hecho por módulos separados con cables de conexión, similar a un cargador convencional en un teléfono móvil.

En la ingeniería eléctrica moderna, dos principios de conversión de energía para consumidores eléctricos, basados ​​en:

1. el uso de dispositivos transformadores analógicos para transmitir energía al circuito secundario;

2. cambio de fuentes de alimentación.

Tienen diferencias fundamentales en su diseño, trabajan en diferentes tecnologías.

Fuentes de alimentación para transformadores

Inicialmente, solo se crearon tales diseños. Cambian la estructura de voltaje debido a la operación de un transformador de potencia alimentado por una red doméstica de 220 voltios, en la que disminuye la amplitud del armónico sinusoidal, luego se envía a un dispositivo rectificador que consiste en diodos de potencia, que generalmente están conectados de acuerdo con el circuito del puente.

Después de eso, el voltaje de ondulación se suaviza en paralelo por una capacitancia seleccionada de acuerdo con el valor de la potencia permitida, y se estabiliza mediante un circuito semiconductor con transistores de potencia.

Al cambiar la posición de las resistencias de sintonización en el circuito de estabilización, es posible ajustar el voltaje en los terminales de salida.

Suministros de energía de conmutación (UPS)

Tales desarrollos de diseño aparecieron en grandes cantidades hace varias décadas y comenzaron a disfrutar de una creciente popularidad en dispositivos eléctricos debido a:

• la disponibilidad de completar una base elemental común;

• fiabilidad en la ejecución;

• Las posibilidades de ampliar el rango de trabajo de los voltajes de salida.

Casi todas las fuentes de alimentación de conmutación difieren ligeramente en diseño y funcionan de acuerdo con un esquema típico de otros dispositivos.

Las partes principales de las fuentes de alimentación incluyen:

• un rectificador de red ensamblado a partir de: choques de entrada, un filtro electromecánico que proporciona desintonización de interferencia y aislamiento de estática con condensadores, un fusible de red y un puente de diodos;

• capacidad acumulativa de filtrado;

• transistor de potencia clave;

• oscilador maestro;

• circuito de retroalimentación hecho en transistores;

• optoacoplador;

• fuente de alimentación conmutada, desde el devanado secundario del cual se emite un voltaje para la conversión en un circuito de alimentación;

• diodos rectificadores del circuito de salida;

• circuitos de control de la tensión de salida, por ejemplo, 12 voltios con sintonización realizada en un optoacoplador y transistores;

• condensadores de filtro;

• choques de potencia, desempeñando el papel de corrección de voltaje y sus diagnósticos en la red;

• Conectores de salida.

En la imagen se muestra un ejemplo de una placa electrónica de una fuente de alimentación conmutada similar con una breve designación de la base del elemento.

¿Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada

La fuente de alimentación conmutada produce una tensión de alimentación estabilizada mediante el uso de los principios de interacción de los elementos del circuito inversor.

El voltaje de red de 220 voltios se suministra a través de los cables conectados al rectificador. Su amplitud es suavizada por un filtro capacitivo debido al uso de condensadores que soportan picos del orden de 300 voltios, y está separada por un filtro de interferencia.

De entrada puente de diodos rectifica las sinusoides que pasan a través de él, que luego son transformadas por un circuito transistor en pulsos rectangulares y de alta frecuencia con un cierto ciclo de trabajo. Se pueden convertir:

1. con separación galvánica de la red de alimentación de los circuitos de salida;

2. sin realizar tal desenlace.

Fuente de alimentación conmutada aislada

En este caso, las señales de alta frecuencia se envían a un transformador de pulso, realizando un aislamiento galvánico de los circuitos. Debido al aumento de la frecuencia, aumenta la eficiencia del uso de un transformador, se reducen las dimensiones de su circuito magnético y su peso. Muy a menudo, los ferromagnetos se usan para un material de dicho núcleo, y el acero eléctrico prácticamente no se usa en estos dispositivos. También ayuda a minimizar el diseño general.

En la imagen se muestra una de las versiones del circuito de alimentación conmutada con aislamiento de transformador de los circuitos.

En tales dispositivos, hay tres cadenas interconectadas:

1. controlador PWM;

2. una cascada de teclas de encendido;

3. transformador de pulso.

¿Cómo funciona un controlador PWM?

Un controlador es un dispositivo que controla un proceso. En la unidad de fuente de alimentación bajo consideración, es el proceso de convertir la modulación de ancho de pulso. Se basa en el principio de generar pulsos de la misma frecuencia, pero con diferentes tiempos de conmutación.

El suministro de impulso corresponde a la designación de una unidad lógica, y la ausencia corresponde a cero. Además, todos son iguales en magnitud y frecuencia (tienen el mismo período de oscilación T). La duración del estado de encendido de la unidad y su relación con el período cambian y le permiten controlar el funcionamiento de los circuitos electrónicos.

Los cambios típicos en las secuencias SHIP se muestran en el gráfico.

Los controladores generalmente crean tales pulsos con una frecuencia de 30 ÷ 60 kHz.

Un ejemplo es un controlador hecho en un chip TL494. Para ajustar la frecuencia de generación de sus pulsos, se utiliza un circuito que consiste en resistencias con condensadores.

Cascada de trabajo de teclas de encendido

Consiste en potentes transistores que se seleccionan de modelos bipolares, de campo o IGBT. Se puede crear un sistema de control individual para ellos en otros transistores de baja potencia o controladores integrados.

Las teclas de encendido se pueden encender de varias maneras:

• pavimento

• medio puente

• con un punto medio

Transformador de pulso

Los devanados primario y secundario montados alrededor de un núcleo magnético de ferrita o alsifer pueden transmitir pulsos de alta frecuencia de manera confiable con una frecuencia de hasta 100 kHz.

Su trabajo se complementa con cadenas de filtros, estabilizadores, diodos y otros componentes.

Fuentes de alimentación conmutadas sin aislamiento galvánico

Al cambiar las fuentes de alimentación diseñadas de acuerdo con algoritmos que excluyen el aislamiento galvánico, no se utiliza un transformador de aislamiento de alta frecuencia, y la señal va directamente al filtro de paso bajo. Un principio similar de operación del circuito se muestra a continuación.

Características de estabilización de voltaje de salida

Todas las fuentes de alimentación conmutadas incorporan elementos que proporcionan retroalimentación negativa con los parámetros de salida. Debido a esto, tienen una buena estabilización del voltaje de salida bajo cargas cambiantes y fluctuaciones en la red de suministro.

Los métodos para implementar la retroalimentación dependen del esquema utilizado para operar la fuente de alimentación. Se puede realizar en unidades que funcionan con aislamiento galvánico debido a:

1. efecto intermedio de la tensión de salida en uno de los devanados de un transformador de pulso de alta frecuencia;

2. El uso de un optoacoplador.

En ambos casos, estas señales controlan el ciclo de trabajo de los pulsos suministrados a la salida del controlador PWM.

Cuando se usa un circuito sin aislamiento galvánico, la retroalimentación generalmente se crea conectando un divisor de voltaje resistivo.

Ventajas de conmutar fuentes de alimentación sobre analógico convencional

Al comparar los diseños de bloques con indicadores de rendimiento iguales, las fuentes de alimentación conmutadas tienen las siguientes ventajas:

1. peso reducido;

2. mayor eficiencia;

3. menor costo;

4. rango extendido de voltajes de suministro;

5. La presencia de protecciones incorporadas.

1. El peso reducido y las dimensiones de las fuentes de alimentación conmutadas se explican por la transición de las conversiones de energía de baja frecuencia por transformadores de potencia potentes y pesados ​​con sistemas de control ubicados en grandes radiadores de enfriamiento y que operan en un modo lineal constante a tecnologías de conversión y regulación de pulso.

Al aumentar la frecuencia de la señal procesada, se reduce la capacitancia de los filtros de voltaje y, en consecuencia, sus dimensiones. Su esquema de enderezamiento también se simplifica hasta la transición a la media onda más simple.

2. Para transformadores de baja frecuencia, se crea una proporción significativa de pérdida de energía debido a la liberación y disipación de calor durante las transformaciones electromagnéticas.

En los bloques de impulso, las mayores pérdidas de energía se crean durante la ocurrencia de transitorios durante el cambio de las cascadas de la llave de alimentación. Y el resto del tiempo, los transistores están en una posición estable: abierta o cerrada. Con esta condición, todas las condiciones se crean para la pérdida mínima de electricidad, cuando la eficiencia puede ser 90 ÷ 98%.

3. El precio de las fuentes de alimentación conmutadas está disminuyendo gradualmente debido a la unificación continua de la base del elemento, que está hecha por una amplia gama de empresas totalmente mecanizadas con máquinas robotizadas. Además, el modo de operación de los elementos de potencia basados ​​en teclas controladas permite el uso de componentes semiconductores menos potentes.

4. La tecnología Pulse le permite alimentar unidades de fuentes de voltaje con diferentes frecuencias y amplitudes. Esto amplía el alcance de su aplicación en condiciones de operación con varios estándares de energía eléctrica.

5. Gracias al uso de módulos semiconductores de tecnología digital de pequeño tamaño, es posible integrar protecciones de manera confiable en el diseño de bloques de pulso, que controlan la aparición de corrientes de cortocircuito, desconectan las cargas en la salida del dispositivo y otros modos de emergencia.

Para las fuentes de alimentación de transformadores convencionales, tales protecciones se crearon en la antigua base electromecánica, de relé y de semiconductores. La aplicación de tecnología digital en la mayoría de los esquemas ahora no tiene sentido. La excepción son los casos de alimentos:

• circuitos de control de baja potencia de electrodomésticos complejos;

• dispositivos de control de baja precisión de alta precisión, por ejemplo, utilizados en equipos de medición o con fines metrológicos (medidores digitales de electricidad, voltímetros).

Desventajas de cambiar las fuentes de alimentación

Interferencia V / h

Dado que las fuentes de alimentación conmutadas funcionan según el principio de convertir pulsos de alta frecuencia, en cualquier diseño producen interferencia transmitida al medio ambiente. Esto crea la necesidad de suprimirlos de varias maneras.

En algunos casos, la cancelación de ruido puede ser ineficiente, lo que elimina el uso de fuentes de alimentación conmutadas para ciertos tipos de equipos digitales de precisión.

Límites de potencia

Las fuentes de alimentación conmutadas tienen una contraindicación para trabajar no solo con cargas altas sino también bajas. Si se produce una fuerte disminución de la corriente fuera del valor crítico mínimo en el circuito de salida, el circuito de arranque puede fallar o la unidad emitirá un voltaje con características técnicas distorsionadas que no se ajustan al rango operativo.

Y en este artículo, lee sobre reparación de fuentes de alimentación conmutadas.