¿QUE ES UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN?

Introducción

Las fuentes de alimentación se encuentran entre los equipos de prueba electrónicos más populares. Esto no es sorprendente, ya que la energía eléctrica controlada se utiliza de muchas formas. En esta guía, veremos una variedad de diferentes tipos de fuentes de alimentación, sus controles, cómo operan y algunos ejemplos de su aplicación.

Una fuente de energía podría definirse ampliamente como cualquier cosa que suministre energía, como una presa hidroeléctrica, un motor de combustión interna o una bomba hidráulica. Sin embargo, limitaremos nuestra discusión a los tipos de fuentes de alimentación eléctrica que se utilizan predominantemente para actividades de prueba y medición, mantenimiento y desarrollo de productos.

Este documento está destinado a usuarios o usuarios potenciales de fuentes de alimentación. Su objetivo es definir los términos utilizados, presentar los diferentes tipos de fuentes de alimentación y la tecnología detrás de ellos, explicar los controles de las fuentes de alimentación típicas y estudiar algunos ejemplos de su uso.

Aquí hay una tabla de algunos de los diferentes tipos de fuentes de alimentación. Nos centraremos en los tipos que están resaltados.

El término «fuente de alimentación de banco» aquí se utiliza de forma algo ligera, ya que algunas de las fuentes de alimentación de las que estamos hablando podrían ser demasiado pesadas para colocarlas en un banco. Aún así, la nomenclatura es útil, ya que incluso las fuentes de alimentación pesadas y de alto rendimiento tienen mucho en común con sus primos más pequeños. Pero el término «banco» es descriptivo para muchas personas, ya que evoca una imagen mental de una fuente de alimentación de CC utilizada en el banco de un ingeniero o técnico para una gran variedad de tareas de energía.

El resto de este documento analizará el tipo de fuente de alimentación de banco con más detalle después de un vistazo rápido a las fuentes de alimentación de CA.

Fuente de alimentación de CA variable

Cuando se prueban equipos eléctricos que se alimentan desde la línea de CA, a menudo es importante evaluar el equipo cuando está expuesto a condiciones de sobre o bajo voltaje. Las variaciones normales de voltaje de la línea de CA son del orden de ± 10%, pero pueden ser mayores cuando muchas cargas pesadas están utilizando la línea al mismo tiempo. Un diseñador también puede querer probar más allá de las variaciones normales de voltaje de la línea de CA con fines de prueba de esfuerzo (para averiguar dónde están las debilidades del diseño). Se necesita una fuente de CA variable para este tipo de prueba. Una fuente de CA variable también puede ser útil durante un «apagón» (condiciones de bajo voltaje de línea) para aumentar el voltaje de línea a niveles normales. Otro uso es aumentar el voltaje cuando se conecta una carga a través de un cable de extensión largo y la caída de voltaje del cable es significativa.

Los diferentes voltajes de CA se generan mediante un transformador (o un autotransformador). El transformador puede tener múltiples devanados o tomas, en cuyo caso el instrumento usa interruptores para seleccionar los diferentes voltajes. Alternativamente, se puede usar un transformador variable (autotransformador ajustable) para variar (casi) continuamente el voltaje¹ . Algunas fuentes de CA variables incluyen medidores para monitorear el voltaje, la corriente y / o la potencia.

Algunos productos, como la fuente de alimentación de CA aislada variable modelo 1655A de B&K Precision que se muestra a continuación, combinan un transformador de aislamiento y un transformador variable. Este producto también incluye la capacidad de realizar pruebas de fugas de CA y tiene una conveniente fuente de alimentación ajustable para soldadores. Esta es una herramienta práctica y útil para el banco de resolución de problemas.

1 Estos transformadores variables a menudo se denominan «Variacs», que originalmente era una marca comercial de General Radio Corporation, pero la palabra se ha vuelto genérica y ha entrado en el léxico general.

Tipos de fuentes de alimentación de CC

Eliminador de batería

Estos tipos de suministros tienden a ser los menos costosos. El nombre describe su propósito principal, que es actuar en lugar de una batería. Estas unidades son económicas y prácticas cuando se necesita trabajar con equipos que funcionan con baterías, ya que permiten trabajar en el equipo sin tener que encontrar las baterías necesarias.

Un tipo popular emite 13,8 voltios CC y está destinado a proporcionar alimentación CC a dispositivos que normalmente funcionan con una batería de automóvil. Los usos típicos son el mantenimiento de radios CB y equipos estéreo de automóviles. Su especificación de regulación de línea suele ser más amplia que la de los suministros de laboratorio, pero esto está bien, ya que los voltajes en los automóviles varían sustancialmente.

Otro tipo popular (mostrado a la derecha) reemplaza varios arreglos de baterías de 1.5 voltios y baterías de 9 y 12 voltios. Los únicos controles son un interruptor de encendido y apagado y un interruptor giratorio para permitirle elegir el voltaje de salida deseado.

Debido a que son verdaderas fuentes de alimentación, están diseñadas para funcionar de forma segura en un cortocircuito de forma continua.

Busque que las clavijas banana estén espaciadas a 0,75 pulgadas (19 mm) de modo que se puedan utilizar los adaptadores de clavija banana doble que se utilizan con cables coaxiales.

Suministro de voltaje constante

Una fuente de alimentación un poco más compleja que el eliminador de batería proporciona un voltaje constante y ajustable. Debido a que son ajustables, generalmente se suministran con un medidor para mostrarle el voltaje al que está configurado el suministro. Algunos también tienen medidores que le permiten controlar la corriente. Un modelo típico es el B&K 1686A que se muestra a la derecha.

El comportamiento básico del suministro es mantener el voltaje que ha configurado independientemente de la resistencia de la carga.

Estos modelos tienen una perilla para ajustar el voltaje de salida. Algunos modelos pueden no ser ajustables hasta cero voltios y su corriente de salida máxima puede ser proporcional al voltaje de salida, en lugar de suministrar la corriente nominal a cualquier voltaje de salida.

En el modelo de la derecha, se proporcionan puntos de «unión» para permitir el monitoreo del voltaje de salida con un medidor digital más preciso o para permitir conexiones a otros circuitos (tenga en cuenta que los puntos de unión tienen un límite de 2 A).

Estos tipos de suministros funcionan bien como eliminadores de batería y también le mostrarán la corriente que consume la carga.

Voltaje constante / suministro de corriente constante

Probablemente el tipo más popular de fuente de alimentación de laboratorio es una fuente de voltaje constante / corriente constante. Además de suministrar voltaje constante, estos suministros también pueden suministrar corriente constante. Cuando está en modo de corriente constante, la fuente de alimentación mantendrá la corriente establecida independientemente de los cambios en la resistencia de la carga. Un ejemplo típico de este tipo de fuente de alimentación es el B&K 1621A que se muestra:

Esta fuente de alimentación genera un voltaje ajustable, que se indica mediante un conjunto de terminales tipo banana. La disposición anterior de los terminales de salida con el terminal de tierra entre los terminales + y – es la más común y hace que la conexión de cualquiera de los terminales a tierra mediante una barra de cortocircuito de metal sea muy conveniente. Esto es útil cuando desea que uno de los terminales esté referenciado a tierra. Por supuesto, se puede hacer lo mismo con un trozo de cable o un cable de puente con enchufes tipo banana apilables.

La fuente de alimentación anterior tiene controles gruesos y finos tanto para la corriente como para el voltaje. En cambio, algunas fuentes de alimentación utilizan potenciómetros de 10 vueltas para el ajuste. Otros utilizan interruptores de rueda manual o interruptores de botón. Los interruptores giratorios y de botón son útiles (si su configuración es precisa) porque pueden eliminar la necesidad de un medidor.

Estos tipos de fuentes de alimentación suelen tener otras funciones útiles:

• Detección remota: una entrada de alta impedancia que le permite medir el voltaje en la carga. Luego, la fuente de alimentación corrige la caída de voltaje en los cables que conectan la fuente a la carga.
• Conexiones maestro / esclavo: existen varios métodos que le permiten conectar fuentes de alimentación de la misma familia en paralelo o en serie para obtener voltajes o corrientes más altos.
• Terminal de programación remota: algunas fuentes de alimentación tienen terminales de entrada para un voltaje o resistencia que se pueden usar para controlar la salida de voltaje o corriente. Nota: esto se llama programación analógica , no programación digital usando una computadora.

Suministro de salida múltiple

Las fuentes de alimentación de salida múltiple tienen más de una salida de CC, a menudo dos o tres. Son útiles y rentables para sistemas que requieren múltiples voltajes. Una fuente de alimentación de uso frecuente para el desarrollo de circuitos es una fuente de salida triple. Una salida suministra de 0 a 6 voltios, destinada a lógica digital. Los otros dos suministran (normalmente) de 0 a 20 voltios, que se pueden utilizar con circuitos analógicos bipolares. A veces, se proporciona un ajuste de seguimiento para los dos suministros de 20 voltios, de modo que los suministros de + y – 20 voltios se puedan ajustar juntos girando una perilla.

Un modelo popular es el modelo 9130 :

Las tres salidas se pueden configurar de forma independiente mediante la perilla o el teclado. Las salidas del canal 1 y del canal 2 son de 31 voltios a 3,1 amperios y el tercer canal dará salida a 6 voltios a 3,1 amperios. Por tanto, el suministro es capaz de producir más de 200 vatios de forma continua. Las salidas se pueden encender y apagar de forma independiente o todas a la vez (útil para encender una placa de circuito impreso completa).

El suministro tiene una serie de características útiles. Las salidas se pueden configurar para funcionamiento temporizado: una vez transcurrido un intervalo de tiempo, la salida se apaga sola. Los límites de voltaje se pueden configurar para todos los canales, por lo que su prototipo de diseño eléctrico puede protegerse de una configuración accidental de sobrevoltaje. Los dos canales de 30 voltios se pueden conectar en serie o en paralelo para un voltaje o corriente más alto, respectivamente. También hay registros de almacenamiento para guardar hasta 50 estados del instrumento para recuperarlos fácilmente más adelante (útil para pruebas repetitivas).

Una característica interesante para el funcionamiento sin supervisión es que la fuente de alimentación se puede configurar para que tenga su salida encendida en la última configuración de encendido. Por lo tanto, si está operando un circuito y falla la alimentación de CA, la fuente de alimentación volverá a comenzar a suministrar energía cuando vuelva a encenderse la alimentación de CA.

Este suministro en particular también es programable a través de una computadora, lo que nos lleva al siguiente tipo de suministro.

Suministro programable

Las fuentes de alimentación programables a veces se denominan fuentes de alimentación de «sistema», ya que a menudo se utilizan como parte de un sistema operado por computadora para pruebas o producción. Excluiremos de esta discusión la «programación» a través de voltajes o resistencias externas, que se usaba principalmente antes de que el control digital se hiciera popular.

Ha habido numerosos tipos de interfaces de computadora a lo largo de los años con instrumentación. Dos de los más populares han sido IEEE-488, también conocido como GPIB (bus de interfaz de propósito general) y comunicaciones en serie RS-232. También se han utilizado interfaces de red (por ejemplo, Ethernet) e interfaces USB. No discutiremos los méritos de los diferentes tipos de interfaces aquí, ya que están más allá del alcance de este documento.

A un nivel ligeramente superior al tipo de interfaz se encuentra el lenguaje de comandos de la fuente de alimentación. Esto significa el conjunto de instrucciones enviadas al instrumento a través de la interfaz digital y la información recibida por la computadora desde el instrumento. Las tres categorías que verá son:

Aquí se enumeran algunos conjuntos típicos de comandos SCPI comunes para fuentes de alimentación:[Fuente:]MODO {<FIJO | LISTA | DRM>}
MODO?VOLTage
        [: LEVel] {<n>}        [:Nivel]?
        :Proteccion                : STATe {<bool>}
                : STATe?                [: LEVel] {<n>}
                [: LEVel]?ACTUAL
        [: LEVel] {<n>}        [:Nivel]?

Al enviar cualquiera de los comandos de la lista anterior a través de la interfaz que admite el instrumento, el suministro se puede controlar con una computadora en lugar de presionar las teclas del panel frontal. Esto es muy útil, especialmente cuando se realizan configuraciones más complejas como generar pasos de voltaje dinámicos usando el modo de lista.

Suministro de rango múltiple

La mayoría de las fuentes de alimentación convencionales funcionan con valores nominales de tensión y corriente fijos, por ejemplo, 30 V / 3 A. En este ejemplo, la potencia de salida máxima de 90 W solo se puede realizar cuando el suministro funciona a 30 V / 3 A. Para todas las demás combinaciones de voltaje / corriente, la potencia de salida será menor. Los suministros de rango múltiple son diferentes en que recalculan los límites de voltaje / corriente para cada ajuste, formando un límite con forma hiperbólica de potencia constante como se ilustra en el diagrama a continuación. El modelo de B&K 9110, nominal 100W / 60V / 5A es un ejemplo de ese tipo de suministro. Es posible cualquier combinación de voltaje / corriente que se encuentre en la curva hiperbólica, por ejemplo, 20V / 5A o 60V / 1,66A, y en cada caso el suministro funciona a la máxima potencia. Los beneficios de esta arquitectura son claros: un suministro de rango múltiple ofrece una mayor flexibilidad en las clasificaciones de salida y permite a los usuarios sustituir varias clasificaciones fijas con un solo suministro de rango múltiple, lo que ahorra costos y espacio en el banco.

Especificaciones de la fuente de alimentación

Modo de corriente constante y voltaje constante

La categoría de fuentes de alimentación de CC que se analiza en esta sección cambia el voltaje de línea de CA a voltajes de CC. La fuente de alimentación de CC regulada más común y versátil es el tipo de corriente constante (CC) o voltaje constante (CV) que, como su nombre lo indica, puede proporcionar una corriente constante o un voltaje constante dentro de un cierto rango, vea la imagen a continuación.

La característica de trabajo de esta fuente de alimentación se denomina tipo de cruce automático de voltaje constante / corriente constante. Esto permite una transición continua de los modos de corriente constante a voltaje constante en respuesta al cambio de carga. La intersección de los modos de voltaje constante y corriente constante se llama punto de cruce. La siguiente figura muestra la relación entre este punto de cruce y la carga.

Por ejemplo, si la carga es tal que la fuente de alimentación conectada a ella está funcionando en el modo de voltaje constante, se proporciona un voltaje de salida regulado. El voltaje de salida permanece constante a medida que aumenta la carga, hasta el punto en el que se alcanza el límite de corriente preestablecido. En ese punto, la corriente de salida se vuelve constante y el voltaje de salida cae en proporción al aumento adicional de la carga. En algunos modelos de fuente de alimentación, el punto de cruce se indica mediante indicadores LED en el panel frontal. El punto de cruce se alcanza cuando el indicador CV se apaga y el indicador CC se enciende.

De manera similar, el cruce del modo de corriente constante al modo de voltaje constante ocurre automáticamente a partir de una disminución en la carga. Un buen ejemplo de esto se vería al cargar una batería de 12 voltios. Inicialmente, el voltaje de circuito abierto de la fuente de alimentación se puede preestablecer en 13,8 voltios. Una batería baja colocará una carga pesada en el suministro y funcionará en el modo de corriente constante, que puede ajustarse para una tasa de carga de 1 amperio. A medida que la batería se carga y su voltaje se acerca a 13,8 voltios, su carga disminuye hasta el punto en que ya no exige la velocidad de carga completa de 1 amperio. Este es el punto de cruce donde la fuente de alimentación entra en el modo de voltaje constante.

En la siguiente lista de especificaciones, enumeraremos sugerencias y preguntas que quizás desee considerar al consultar las especificaciones de la fuente de alimentación. Lea atentamente las especificaciones y observe siempre la letra pequeña.

Producción

La tensión y la corriente de salida (o las tensiones y corrientes para salidas múltiples) son, por supuesto, de fundamental importancia. Si está buscando una fuente de alimentación para una aplicación específica, considere la posibilidad de ser conservador y comprar más capacidad de la que necesita; los proyectos a menudo tienen nuevas funcionalidades agregadas al final del ciclo de diseño.

Consejos y preguntas para hacer:

• Asegúrese de que la salida esté especificada por encima del rango de voltaje de línea de entrada permitido (ejemplo: algunas fuentes de alimentación conmutadas deben reducirse, por ejemplo, a 90 VCA).
• Algunas fuentes (comúnmente fuentes de alimentación conmutadas) no tienen una potencia de salida de 0 voltios.
• ¿Cuánto se puede flotar el suministro por encima o por debajo del suelo?
• ¿Cuánto se desvía la salida con el tiempo? Un valor típico puede ser de 5 a 10 mV durante 10 horas con carga y voltaje de entrada constantes.
• Si la salida tiene un voltaje fijo, ¿se puede ajustar ligeramente al valor deseado?
• Verifique si el suministro tiene detección remota. La detección remota utiliza dos terminales de entrada de alta impedancia para detectar el voltaje de salida del suministro. Cuando se conecta a la carga, esta función puede corregir las caídas de voltaje en los cables de conexión de suministro a carga.
• Algunas fuentes de alimentación tienen protección de salida. Esto a veces se denomina «palanca», «protección contra sobretensión» o «protección de límite de voltaje». La función limita el voltaje de salida a un valor establecido por el usuario o apaga la salida si el voltaje de salida alcanza el límite establecido. La intención es proporcionar protección de circuito para circuitos sensibles al voltaje. Ejemplo: está alimentando un circuito lógico de 5 voltios con una fuente de alimentación capaz de suministrar 40 voltios de salida. Establece la protección contra sobretensión de la fuente de alimentación en 5,5 voltios. Entonces, la salida nunca superará los 5,5 voltios, independientemente de cuánto gire la perilla de ajuste de voltaje. Nota: una «palanca» denota un dispositivo (generalmente un SCR) que corta la salida cuando se excede el límite de voltaje establecido.

Regulación

La regulación de carga es cuánto cambia el voltaje de salida cuando cambia la carga, generalmente de 0 a 100% de la clasificación. Esto se puede medir de forma cómoda y sencilla con cargas de CC modernas. Las especificaciones típicas son de 0,1% a 0,01%. Cuando lo piensas, este es un comportamiento excelente: un cambio de hasta 1 parte en 10,000 (se hace con circuitos de control de retroalimentación negativa).

La regulación de línea es cuánto cambia la salida por un cambio en el voltaje de CA de entrada. Por lo general, se especifica como mV por un cambio dado de la entrada o como un cambio porcentual en todo el rango de entrada permitido. Los valores típicos están nuevamente en el rango de 0.1% a 0.01%.

Para diseños muy delicados, es posible que desee saber cómo cambia la salida cuando cambian los tres factores principales: voltaje de entrada, carga y temperatura. Esto rara vez se especifica y probablemente tendría que medirse.

Las especificaciones de regulación anteriores son comportamiento de estado estable. El comportamiento transitorio es importante para algunas aplicaciones. El tiempo de respuesta transitorio se puede especificar y está relacionado con el tiempo que tarda la fuente de alimentación en recuperarse a un valor especificado después de un cambio repentino en la carga o la salida. Esta puede ser una especificación importante cuando la fuente de alimentación se utiliza con circuitos digitales que consumen energía en ráfagas. Por ejemplo, un transmisor de radio pasará rápidamente de sin energía a máxima potencia, lo que provocará cambios escalonados en la demanda de la fuente de alimentación. Un suministro con una respuesta transitoria deficiente (o una respuesta inestable que causa oscilación) será perjudicial para la aplicación, tanto porque podría no ser capaz de suministrar suficiente energía como porque sus transitorios de salida podrían acoplarse a los circuitos que está suministrando energía, lo que lleva a comportamiento anómalo.

Ondulación y ruido

No existe un método universalmente aceptado para medir la ondulación y el ruido. Algunos proveedores incluyen circuitos externos para realizar las mediciones, por lo que, para duplicar sus resultados, deberá comunicarse con ellos sobre cómo realizan las mediciones. La medida más sencilla es conectar un osciloscopio acoplado a CA a la salida de la fuente de alimentación. La medición se puede realizar a partir de ruido de modo común (ruido en las salidas + y – de la fuente de alimentación con respecto a la tierra de alimentación de CA) o ruido de modo normal (también llamado modo diferencial), que es el ruido que se ve entre los + y – terminales de la fuente de alimentación. Nota: dado que el exterior del conector BNC en muchos osciloscopios está conectado a la toma de tierra, deberá utilizar un transformador de aislamiento para alimentar el osciloscopio o utilizar un amplificador diferencial para medir el ruido en modo normal.

La ondulación de las fuentes de alimentación lineales se mide generalmente al doble de la frecuencia de línea. Para cambiar las fuentes de alimentación, querrá examinar las frecuencias más altas y es posible que vea picos de voltaje. La ondulación se puede definir como la porción de voltaje de CA sin filtrar y el ruido presente en la salida de una fuente de alimentación filtrada cuando se opera a plena carga y generalmente se especifica en voltios RMS. El ruido, por otro lado, se especifica típicamente como voltaje de CA pico a pico y se puede definir como la porción de ruido EMI sin filtrar y sin blindaje presente en la salida de una fuente de alimentación filtrada cuando se opera a plena carga.

Puede ser importante saber en qué ancho de banda se especifica el ruido. A menudo es de 20 MHz, ya que se utiliza un osciloscopio para medirlo. Nota: a veces, la ondulación y el ruido se especifican como PARD, que es un acrónimo de «desviaciones periódicas y aleatorias».

La mayoría de las fuentes de alimentación lineales deben tener una ondulación RMS de menos de 3 mV y un pico de menos de 50 mV para las fuentes de conmutación.

* Ejemplo práctico: A continuación se muestran algunos ejemplos de medidas de ondulación y ruido. La salida de una fuente de alimentación B&K Precision 9130 configurada en 9 voltios se conectó a través de un cable coaxial de 50 ohmios (usando un adaptador de conector banana dual) a un osciloscopio de almacenamiento digital B&K Precision 2534 (ancho de banda de 60 MHz). La entrada del osciloscopio estaba acoplada a CA (el canal se verificó para asegurar que el acoplamiento de CA no tuviera un efecto medible en la amplitud de una señal de entrada hasta 30 Hz). El osciloscopio se alimentó con un transformador de aislamiento de grado médico, por lo que la medición de ruido es diferencial, no de modo común. No hubo ondulaciones mensurables en la línea eléctrica y el ruido fue principalmente de banda ancha con algunos picos con una frecuencia fundamental de 40 MHz. Estos picos no son de esta fuente de alimentación porque i) estaban presentes con la fuente de alimentación apagada y ii) estaban presentes en otros instrumentos en el banco del autor, también apagados. Probablemente sea una interferencia digital de la computadora del autor que se conduce a través de la línea eléctrica. El 9130 está especificado para tener menos de 3 mV RMS de ruido; este suministro en particular cumplió con la especificación. Tenga en cuenta que estas son medidas de ejemplo y no pretenden interpretar nada en particular sobre las características de las fuentes de alimentación 9130 en general. Sin embargo, es de esperar que muestre que algo tan «simple» como conectar un solo cable a una fuente de alimentación y realizar una medición implica una serie de cosas en las que pensar. Si el autor hubiera utilizado un filtro de paso bajo de 20 MHz en la entrada, no habría

Ilustración 2: (A) Ruido térmico típico (B) Captura más lenta de (A) que muestra un pico (~ 15 mV) (C&D) Detalles del pico

Temperatura

Como los componentes que componen las fuentes de alimentación son sensibles a la temperatura, no debería sorprendernos que las fuentes de alimentación en su conjunto también puedan ser sensibles a la temperatura. Esto es cierto incluso cuando los diseñadores intentan minimizar los efectos de la temperatura. Las fuentes de alimentación modernas con calidad de laboratorio deben tener coeficientes de temperatura inferiores al 0,05% por ˚C . Por lo general, esto se especifica en el rango de temperatura de funcionamiento, que a menudo es de 0 a 40 ˚C . Por lo general, se da a entender o se supone que la fuente de alimentación se prueba a una carga constante sin variación de la línea de CA.

Entrada AC

Las fuentes de alimentación más grandes pueden utilizar energía trifásica. Estos pueden ser más económicos y un poco más eficientes que los suministros monofásicos, aunque las frecuencias de ondulación serán más altas.

Aislamiento: especificado como el voltaje CC o CA que se puede aplicar entre la entrada y la salida sin que falle el suministro. Los números típicos son 500 a 1500 V. El aislamiento de la fuente de alimentación entre la entrada y la salida o el chasis proviene del aislamiento proporcionado por el transformador de la fuente.

Algunas fuentes de alimentación contienen condensadores de filtrado grandes que esencialmente presentan un corto al rectificador cuando se enciende por primera vez. Algunas fuentes de alimentación tienen circuitos para minimizar la corriente de entrada o distribuirla a lo largo del tiempo (un «arranque suave»).

La especificación de retención define cuánto tiempo puede desaparecer la entrada de CA y la fuente de alimentación seguirá estando regulada. La carga almacenada en los condensadores del filtro se utiliza para suministrar energía mientras la entrada de CA está apagada.

A medida que aumenta el costo de la energía, la eficiencia del suministro de energía se vuelve más importante. La eficiencia es la potencia de salida dividida por la potencia de entrada y, por supuesto, siempre será inferior al 100% (generalmente se convierte en un porcentaje). Los mejores suministros pueden ser 90% eficientes o mejores. Las fuentes de alimentación lineales suelen ser mucho menos eficientes que las fuentes de alimentación en modo de conmutación.

Precisión de seguimiento

Algunas fuentes de alimentación con dos o más salidas pueden tener una función de seguimiento. Aquí es donde una salida rastreará el voltaje de salida de otra salida. Esto es útil cuando se suministra energía a circuitos que necesitan un riel positivo y negativo. La especificación de precisión de seguimiento define qué tan cerca sigue la segunda salida a la salida de la primera salida.

Aislamiento DC

El aislamiento se refiere a cuánto pueden «flotar» los terminales + o – por encima o por debajo de la tierra de la línea eléctrica. Esta especificación a menudo incluye el voltaje de salida de la fuente de alimentación. Es importante no exceder la especificación, ya que podría causar una falla dieléctrica de un componente interno y / o exposición a voltajes peligrosos. Es bastante común poner dos fuentes de alimentación en serie para obtener un voltaje más alto que el que pueden suministrar. Por ejemplo, considere el siguiente circuito:

V _out será la suma de los voltajes configurados en la fuente de alimentación 1 y la fuente de alimentación 2. Tenga en cuenta que esta operación en serie debe ser tal que la corriente no exceda la de la fuente de alimentación con la clasificación de corriente mínima.

Para asegurarse de permanecer dentro de las especificaciones de aislamiento de CC del fabricante, asegúrese de que ninguno de los voltajes en ninguno de los cables externos con respecto a tierra exceda la especificación de aislamiento de CC.

teoría de operación

Hay dos formas principales de funcionamiento de las fuentes de alimentación: regulación lineal y modo de conmutación.

Regulación lineal

El principio de funcionamiento de una fuente de alimentación de tipo de regulación lineal se muestra en el siguiente diagrama:

El voltaje de entrada generalmente proviene de un transformador, un rectificador de onda completa y una etapa de condensador de filtro. El voltaje de salida se compara con un voltaje de referencia (derivado, por ejemplo, de la configuración del panel frontal de la fuente de alimentación) y la diferencia se alimenta al transistor para permitir más o menos corriente a través de él. El transistor suele ser de tipo bipolar o MOSFET (a veces como parte de un circuito integrado de control para suministros más pequeños) y se opera en su región lineal (de ahí el nombre de regulación «lineal»). La estrategia de regulación lineal tiene las ventajas de simplicidad, bajo nivel de ruido, tiempo de respuesta rápido y excelente regulación. Una desventaja es que son ineficientes, ya que siempre están disipando poder. En el diseño anterior, se puede ver que el transistor tiene V _en – V _caboa través de él. Multiplique esta diferencia por la corriente para disipar la potencia. Para una gran diferencia de voltaje (es decir, bajo voltaje de salida de la fuente de alimentación) y gran corriente, la eficiencia general puede descender a casi el 10%. La eficiencia máxima para un suministro lineal es generalmente de alrededor del 60%. Las eficiencias promedio típicas están en el rango del 30-40%.

Modo de conmutación

Nota: En esta sección, abreviaremos una fuente de alimentación de modo de conmutación como SMPS.

Un problema de la fuente de alimentación lineal típica es el tamaño y el peso del transformador. El tamaño es necesario debido a la baja frecuencia (50 a 60 Hz). Para la misma potencia de salida, el tamaño del transformador disminuye (mucho) a medida que aumenta la frecuencia (hasta cierto punto). El SMPS se aprovecha de esto cortando la forma de onda de la línea de CA en muchos pedazos pequeños y cambiándolos al nivel de voltaje deseado con un transformador mucho más pequeño. Un hecho clave es que el elemento de conmutación (un transistor) está apagado o completamente encendido (saturado). La caída de voltaje a través del transistor es pequeña (ya sea para un transistor bipolar o un MOSFET), lo que significa que se desperdicia poca energía en él. Cuando está apagado, no se disipa energía. Esta es una de las ventajas de eficiencia de un SMPS.

Los condensadores de filtro también pueden ser más pequeños a estas frecuencias más altas y los estranguladores son más efectivos. Un límite de frecuencia inferior es de 25 kHz (para mantenerse por encima del rango de audición humana) y el límite superior de última generación es actualmente de alrededor de 3 MHz. La mayoría de las fuentes de conmutación utilizan frecuencias en el rango de aproximadamente 50 kHz a 1 MHz.

Los comportamientos parasitarios y el efecto de la piel en la conducción se vuelven importantes en las frecuencias de conmutación más altas, especialmente porque las formas de onda son ondas cuadradas y ricas en armónicos. En elementos pasivos como condensadores e inductores, la ESR (resistencia en serie equivalente) se vuelve importante y conduce a ineficiencias. Las resistencias deben ser no inductivas. Los diseños de modo de conmutación optimizados y cuidadosos pueden lograr eficiencias del 95%, pero el SMPS típico tiene una eficiencia de alrededor del 75%, aún mucho mejor que el suministro lineal típico. Ésta es una de las razones por las que se ven universalmente en las computadoras personales.

Otra ventaja con SMPS es que la conmutación se puede modular de varias formas, dependiendo de las condiciones de carga. La salida de la fuente de alimentación se regula con un circuito de retroalimentación que ajusta el tiempo (ciclo de trabajo) con el que se encienden o apagan los MOSFETS.

Los beneficios de las fuentes de alimentación de modo de conmutación no tienen algunos costos. Las frecuencias más altas y la conmutación significan niveles más altos de interferencia electromagnética (EMI), tanto radiada como conducida. Esto puede devolver el ruido de conmutación a la línea eléctrica. La electrónica de control también se vuelve más complicada (incluso más recientemente debido al deseo de tener factores de potencia más altos).

Las fuentes de alimentación de modo de conmutación pueden tener dificultades para producir bajos voltajes. Esto se debe a que el transistor tiene que cambiar la corriente, es decir, el SMPS no puede funcionar a menos que fluya suficiente corriente. Debido a esto, las fuentes de alimentación de modo de conmutación a menudo tienen una especificación de voltaje de salida mínima.

Aplicación de fuente de alimentación

Uso de una fuente de alimentación para generar una compensación de CC con un generador de funciones

Si una fuente de señal, como un generador de funciones, no tiene una capacidad de compensación de CC, puede agregar esta función de manera efectiva utilizando una fuente de alimentación de CC. Al igual que en la especificación para el aislamiento de CC de una fuente de alimentación de CC, es importante que el fabricante permita este modo de funcionamiento de la fuente de señal y que no exceda las especificaciones. También necesitará una fuente de señal cuyos terminales de salida (generalmente un conector BNC) estén aislados de tierra. Si el conector no está aislado de la tierra, el instrumento puede aislarse de la tierra de la línea de alimentación mediante un transformador de aislamiento. Sin embargo, el chasis metálico del instrumento puede estar por encima o por debajo del potencial de tierra cuando está polarizado por CC, así que tome las precauciones adecuadas contra descargas eléctricas. El método de conexión se muestra en el siguiente diagrama.

La razón por la que esto puede ser útil es porque la señal del generador de funciones se puede insertar en un circuito que está polarizado por encima o por debajo del suelo (o la fuente de alimentación de CC puede suministrar el sesgo, como para un transistor). Debe tener cuidado de no exceder las capacidades actuales del generador de funciones.

Preguntas y consejos sobre fuentes de alimentación

¿Cómo mido la eficiencia del suministro de energía?

Si la eficiencia es importante para usted, querrá medirla con cuidado. Para una fuente de alimentación de CC típica que funciona desde la línea de CA, deberá medir la potencia de CA de entrada y la potencia de CC que emite la fuente como se muestra en el siguiente diagrama:

Probablemente, la mejor herramienta para medir la potencia de CA utilizada por la fuente de alimentación de CC es un osciloscopio. Deberá medir el voltaje CA y la corriente CA que ingresan a la fuente de alimentación. El mejor enfoque es probablemente utilizar una derivación de corriente no inductiva para la medición de corriente y dos amplificadores diferenciales independientes para medir la tensión de entrada de CA a la fuente de alimentación y la tensión de CA a través de la derivación. La forma de onda de potencia se puede obtener multiplicando la forma de onda de corriente y voltaje usando el osciloscopio. Con un ancho de banda adecuado en el osciloscopio y los amplificadores, esta será una medida precisa, le mostrará el factor de potencia y le informará sobre los armónicos / transitorios de la línea de alimentación asociados con el funcionamiento de la fuente de alimentación de CC. Si su osciloscopio no puede hacer la multiplicación, aún puede medir los valores RMS de voltaje y corriente,

Para medir la potencia consumida por la carga, puede utilizar los medidores de voltaje y corriente de la fuente de alimentación de CC siempre que sepa que son precisos. Para confirmación, puede usar una carga de CC en su lugar, configurada con las mismas características de carga.

La eficiencia medida en porcentaje será entonces

donde P _in es la entrada de energía de CA medida y P _out es la salida de energía de CC medida, ambas en las mismas unidades de potencia.

¿Por qué hay una variación tan grande en los precios entre las fuentes de alimentación?

Se puede hacer una pregunta similar sobre los automóviles. Ambas preguntas comparten la misma respuesta: hay muchos factores en juego y probablemente no sea posible una respuesta simple. Algunos de los factores son

• Nombre y reputación del proveedor
• Qué tan conservador es el diseño
• Número y tipo de unidades competidoras
• Certificaciones (por ejemplo, seguridad, EMI, etc.)
• Fiabilidad del diseño (y esfuerzo invertido para probar el diseño)
• Calidad de los componentes y construcción utilizados.
• La cantidad de funciones

Una cosa en la que pensar al evaluar una fuente de alimentación (o cualquier equipo) es el costo total de propiedad. Incluya el costo de las calibraciones anuales y cualquier pérdida estimada debido a la falta de disponibilidad o la necesidad de reparar o reemplazar la unidad si falla. Durante una década o más, estos costos pueden exceder fácilmente el costo original de la fuente de alimentación.

¿Qué es mejor: modo de conmutación o lineal?

Depende de lo que quieras decir con «mejor». Puede obtener alguna orientación de la siguiente tabla:

Consulte la sección Teoría de funcionamiento para obtener más comentarios sobre los dos tipos.

Cada vez más, las tecnologías híbridas que utilizan circuitos de tipo lineal y de conmutación están ganando popularidad. El objetivo de este enfoque es crear fuentes de alimentación cuyas características combinen la fuerza de las tecnologías de modo lineal y de conmutación.

¿Qué es una palanca?

Es un dispositivo de protección que se usa en la salida de las fuentes de alimentación (generalmente un SCR) para cortocircuitar la salida si el voltaje de salida supera un nivel establecido. Consulte la sección Salida en Especificaciones de la fuente de alimentación.

¿Cuál es la mejor forma de probar una fuente de alimentación bajo carga?

Ciertamente, una excelente manera es probarlo con la carga real que debe suministrar, si es posible. Sin embargo, es posible que eso no estrese lo suficiente al suministro como para decirle mucho sobre su idoneidad y solidez para su aplicación. Una excelente herramienta para probar fuentes de alimentación es una carga de CC. Se pueden programar para aplicar una amplia variedad de cargas variables a una fuente de alimentación y pueden hacerlo sin descanso. Una vez que se califica un suministro en particular, son buenas herramientas para la inspección continua o entrante.

¿Cómo mido la ondulación y el ruido?

Esto se puede hacer con un osciloscopio o un voltímetro AC RMS de banda ancha. Pero hay matices que debe tener en cuenta: consulte la sección Ondulación y ruido en Especificaciones de la fuente de alimentación.

Resistencia de cables y contactos

La resistencia de contacto en uniones defectuosas o conexiones mecánicas mal hechas puede agregar cargas significativas, especialmente en aplicaciones de alta corriente. Una junta ondulada defectuosa o corroída puede tener una resistencia de cientos de miliohmios o incluso superior a un ohmio. Estos reducen la eficiencia y crean puntos calientes. Si alguna vez ha tenido que limpiar los terminales de la batería de su automóvil para que arranque, ha visto el problema.

Un cable de cobre de calibre 10 tiene una resistencia de un poco más de 3 Ω / m. Para un circuito con 10 m de cable, esto es 30 m Ω . Una conexión de 100 m Ω suministraría así el 75% de la resistencia del cableado (además de desperdiciar el 75% de la potencia perdida en el cableado).

Las uniones defectuosas son relativamente fáciles de encontrar si puede acceder al cable bajo carga. Se puede usar un multímetro digital para medir la caída de voltaje a través de las juntas (tenga cuidado cuando el cable transporta voltajes importantes). Conociendo la corriente (mida con un amperímetro de CC de pinza si el medidor de la fuente de alimentación no está a mano), puede calcular la resistencia de la junta. Si el cable está aislado, hay disponibles sondas de perforación de aislamiento especiales, como Cal Test Electronics CT3044 o Pomona 5913. Si usa sondas de perforación, considere apagar primero la fuente de alimentación; un arco accidental puede arruinar las puntas afiladas (aparte de ser un peligro potencial para la seguridad).

¿Puedo conectarme en paralelo?

La carga necesita n fuentes de alimentación para su funcionamiento, por lo que se utilizan n + 1 fuentes, lo que permite que una de ellas falle. Los diodos son para aislar los suministros entre sí (pueden ser necesarios o no; de nuevo, pregúntele a su proveedor). Es posible que los suministros deban tener líneas de control conectadas entre sí para que puedan compartir la carga de manera inteligente. El requisito es que cada fuente de alimentación tenga el mismo voltaje para que compartan la carga por igual. El cableado debe ser corto y cada pata debe ser igual para cada suministro.

Referencias

M. Schwartz, Transmisión de información, modulación y ruido, 2ª ed., McGraw-Hill, 1970, ISBN 07-055761-6.

Apéndice 1: Glosario

Regulación de línea

Cuánto cambia el voltaje o la corriente de carga cuando la fuente de alimentación funciona con voltajes de línea variables en un rango determinado. Normalmente se expresa como un porcentaje del voltaje o la corriente total disponible en el suministro. Una calificación de «0%» significaría una regulación perfecta.

Regulación de carga

Cuánto cambia el voltaje o la corriente de carga entre el funcionamiento de la fuente de alimentación en condiciones de carga completa y sin carga. Normalmente se expresa como un porcentaje del voltaje o la corriente total disponible en el suministro. Una calificación de «0%» significaría una regulación perfecta.

Eficiencia

Medido en porcentaje, indica la cantidad de energía que se emite sobre la cantidad de energía consumida en un sistema.

EMI

Interferencia electromagnetica

Corriente de irrupción

Una cantidad inicial de corriente consumida por una fuente de alimentación al inicio. A veces se denomina corriente de arranque y generalmente es varias magnitudes mayor que el valor de estado estable del suministro.

Inversor

Dispositivo eléctrico que se utiliza para convertir CC en CA.Sensores remotosSe proporciona en algunos instrumentos que se pueden usar para detectar el voltaje de un dispositivo bajo prueba en su terminal a fin de proporcionar lecturas precisas para compensar las caídas de voltaje a través de los cables conectados al instrumento y al dispositivo bajo prueba.

Voltaje constante

Una fuente de alimentación regulada que entrega un voltaje constante a una carga incluso cuando la resistencia de la carga cambia a un valor que no excederá el límite de corriente de las fuentes de alimentación.

Corriente constante

Una fuente de alimentación regulada que entrega una corriente constante a una carga, incluso cuando cambia la resistencia de la carga. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación debe seguir la ley de Ohm.

Límite actual

Un valor establecido como límite en la corriente que puede generar una fuente de alimentación. Cuando la corriente alcanza el límite, una fuente de alimentación CV / CC típica cambiará del modo CV al modo CC. Esto también se conoce como punto de cruce.

Protección de sobrecarga

Una función de protección en la mayoría de las fuentes de alimentación de CC para evitar que cualquier dispositivo consuma más energía de la que las fuentes deben producir.

Proteccion al sobrevoltaje

Protección que se encuentra en muchas fuentes de alimentación que limita la cantidad de voltaje que se puede emitir.

Operación en paralelo

Este modo de funcionamiento, que se encuentra en muchas fuentes de alimentación de salida doble y triple, permite que dos o más salidas independientes se conecten en paralelo para aumentar la salida de corriente.

Operación en serie

Un modo de funcionamiento en muchas fuentes de alimentación de salida doble y triple en el que se conectan dos o más salidas independientes en serie para aumentar la salida de voltaje.

LEOPARDO

Desviaciones periódicas (ondulación) y aleatorias (ruido) de un voltaje de salida del valor deseado.

PWM

Modulación de ancho de pulso

Resolución

El cambio más pequeño de voltaje o corriente que se puede realizar mediante un ajuste de los controles.

Protección térmica

Protección contra daños en el suministro por temperatura excesiva.

Tiempo de recuperación transitorio

La cantidad de tiempo que tarda una fuente de alimentación en recuperar su salida después de un cambio de paso.

C.A.

Corriente alterna. Describe voltaje y corriente que varía en amplitud, generalmente en una forma de onda sinusoidal con respecto al tiempo. La energía de CA se usa casi universalmente para distribuir energía eléctrica.

Apagón

Pérdida de energía eléctrica CA.

Apagón

Una reducción planificada del voltaje de CA por parte de la compañía eléctrica para contrarrestar la demanda excesiva.

Acoplamiento capacitivo

Dos conductores separados siempre forman un condensador. Cuanto más cerca estén, mayor será la posibilidad de que las variaciones de voltaje en un conductor sean inducidas electrostáticamente en el otro conductor (en contraste con el acoplamiento inductivo).

Acoplamiento inductivo

Cuando una corriente cambiante fluye en un cable, se induce un voltaje en un cable cercano debido al campo magnético causado por la corriente (en contraste con el acoplamiento capacitivo).

factor de cresta

En una forma de onda de CA, el factor de cresta es la relación entre el valor pico y el valor RMS.

corriente continua

Corriente continua. Se utiliza para describir un voltaje, corriente o potencia eléctrica que no cambian.

Deriva

El cambio en el tiempo de una tensión o corriente de salida.

Carga electronica

Un tipo de instrumento que sirve como carga, generalmente dinámico, y puede usarse para probar fuentes y fuentes de alimentación.

ESR

Resistencia en serie equivalente. El modelo simple en «serie» de un capacitor o un inductor coloca la reactancia pura en serie con una resistencia pura, cuyo valor generalmente se llama ESR. A menudo se mide en condensadores electrolíticos más grandes y un valor alto de ESR generalmente indica un condensador defectuoso.

Tierra

La tierra eléctrica en un sistema de alimentación de CA es un cable que está conectado a la tierra, de ahí el nombre «tierra». El motivo de dicha conexión se debe a la necesidad de proteger a los usuarios de equipos eléctricos de los peligros de descargas eléctricas. La energía se entrega al sitio de utilización mediante un transformador montado en poste u otro tipo. La salida de dicho transformador consta esencialmente de dos cables conductores, con el voltaje de utilización disponible entre los conductores. Por una variedad de razones complicadas relacionadas con la seguridad, uno de estos cables conductores del transformador se conecta a tierra mediante una barra de cobre clavada en el suelo.

Carga mínima

Si se especifica para una fuente de alimentación, es la corriente de carga mínima que debe extraerse de la fuente de alimentación para que cumpla con sus especificaciones de rendimiento.

Aumento

Un aumento momentáneo en el voltaje de la línea de alimentación de CA.

Impedancia de salida

La relación entre un cambio en el voltaje de salida y un cambio en la corriente de carga.

Factor de potencia

La relación entre potencia real y aparente. Esto determina cuánta corriente se requiere para producir una cierta cantidad de energía. Siempre es deseable que la relación sea tan cercana como 1. Un sistema de factor de potencia más bajo significaría una mayor pérdida de potencia para producir la misma cantidad de trabajo en comparación con un sistema de factor de potencia más alto.

Voltaje de ondulación

La porción de voltaje de CA sin filtrar y ruido presente en la salida de una fuente de alimentación filtrada, operada a plena carga. Normalmente se indica en voltajes de CA rms (con un voltaje de ondulación cero que representa una fuente de alimentación perfectamente filtrada).

Corriente de rizado

La porción de corriente alterna sin filtrar en la salida de una fuente de alimentación filtrada.

RMS

Media cuadrática. Para cualquier forma de onda, el RMS es la raíz cuadrada del promedio de la suma de los cuadrados de los valores muestreados. Para una función continua, se aplica una fórmula integral análoga.

Tierra de seguridad

Un circuito diseñado para conducir lejos voltajes peligrosos (debido a un defecto o accidente), protegiendo así a las personas de descargas accidentales. Las cubiertas metálicas de los instrumentos y aparatos están conectadas a tierra (y por lo tanto se denomina tierra de seguridad). Por lo tanto, si un cable eléctricamente «caliente» dentro del dispositivo toca accidentalmente la carcasa de metal, la conexión a tierra de seguridad significa que el metal permanecerá cerca del potencial de tierra. El resultado habitual de tal condición es que el disyuntor se disparará.

Rango de temperatura

El rango sobre el que se especifica la fuente de alimentación para operar. También puede designar un rango de temperatura en el que se puede almacenar el suministro.

Poder verdadero

También conocida como potencia real, generalmente se mide en vatios.Poder aparenteEl producto de la corriente RMS y el voltaje RMS, generalmente medido en unidades de VA (voltios-amperios).