¿Cómo funciona una fuente de alimentación de CC programable real?

Descripción general de los métodos de funcionamiento de la fuente de alimentación

 

El módulo de circuito rectificador convierte el voltaje de CA del transformador en un voltaje de CA unipolar. A continuación, el módulo de filtro convierte el voltaje de CA unipolar en un voltaje de CC imperfecto con efectos de ondulación.

El regulador de voltaje ajusta el voltaje de salida al nivel deseado y realiza un filtrado adicional para lograr una salida de voltaje de CC constante.

 

Estos módulos de circuitos contienen muchos componentes, ninguno de los cuales es ideal. Los capacitores e inductores tienen resistencia parásita, capacitancia parásita (en inductores) e inductancia parásita (en capacitores). Los transistores y diodos tienen características IV que varían con la temperatura. Todos los componentes tienen ciertas tolerancias en sus valores de parámetros, consumen energía, tienen limitaciones de potencia y generan ruido. Estas características no ideales impiden que la fuente de alimentación se convierta en una fuente de salida de CC absolutamente constante.

 

Desviación de la salida ideal

 

La salida proporcionada por una fuente de alimentación de CC no siempre es una salida programada por el usuario. Los fabricantes definirán la precisión de salidas de CC específicas en función de las tolerancias de los componentes: precisión de salida o precisión de visualización. Cuando la temperatura ambiente excede el rango de temperatura de calibración de la fuente de alimentación, el fabricante también puede especificar un coeficiente de temperatura para agregar a la tolerancia de salida. Otra razón por la que la salida de CC cae por debajo del valor programado es que cuando se utilizan cargas de alta corriente, la resistencia interna de los componentes de la fuente de alimentación se somete a un mayor voltaje. El fabricante especifica este efecto como regulación de carga, expresado como un error porcentual con respecto al voltaje completo. Para determinar completamente la precisión de salida de una fuente de alimentación de CC, el error de ajuste de carga debe agregarse a la precisión de salida.

 

El extremo de salida de CC de una fuente de alimentación de CC también puede tener ruido. Debido al movimiento y la colisión de electrones en estructuras metálicas, existe ruido inherente en todos los componentes electrónicos. Este tipo de ruido se denomina ruido de Johnson. Debido a las condiciones de la línea de CA, la interferencia electromagnética (EMI) ambiental y las corrientes parásitas en el cable de tierra, también puede producirse ruido en la salida de potencia. Al igual que otros instrumentos electrónicos, minimizar el ruido en una fuente de alimentación requiere técnicas de diseño detalladas. Pero incluso con el mejor diseño, habrá ruido en el extremo de salida de la fuente de alimentación de CC.

 

Estructura de topología de potencia

 

Existen dos tipos de topologías de potencia. El diseño de las fuentes de alimentación puede utilizar topología lineal o topología conmutada. La diferencia en su diseño radica en el módulo rectificador y el módulo de regulación de voltaje.

 

(1) Estructura de topología lineal

En el diseño lineal, hay una corriente constante que fluye a través del circuito. Las ventajas de este diseño son el bajo nivel de ruido y la baja complejidad, pero la eficiencia no es muy alta. La eficiencia de la fuente de alimentación lineal es inferior al 50%.

 

(2) Estructura de topología del conmutador

Por otro lado, las fuentes de alimentación conmutadas pueden alcanzar una eficiencia del 90%, pero su complejidad y el ruido de salida son mucho mayores. La razón del alto ruido se debe a los componentes activos, es decir, los transistores, que se utilizan como interruptores para encender y apagar la fuente de alimentación a una frecuencia de kHz. La ventaja de las fuentes de alimentación conmutadas es que son más pequeñas y ligeras que las fuentes de alimentación lineales de la misma capacidad. La fuente de alimentación conmutada se puede utilizar con transformadores más ligeros y más pequeños. Además, cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación, más pequeños serán todos los componentes inductivos.

 

Aunque ambas topologías son adecuadas para fuentes de alimentación de hasta varios cientos de vatios, las fuentes de alimentación conmutadas se utilizan principalmente para diseñar fuentes de alimentación con potencias superiores a 500 W o incluso kilovatios. Para las fuentes de alimentación de nivel de kilovatios, los transformadores también pueden ser muy grandes y pesados.