Elegir la fuente de alimentación adecuada: Fuente de alimentación lineal frente a fuente de alimentación conmutada

Prefacio

Maquinaria industrial, electrónica de consumo o equipos médicos profesionales, en este ámbito es crucial distinguir entre fuentes de alimentación lineales y fuentes de alimentación conmutadas. Las fuentes de alimentación lineales y conmutadas suministran corriente continua para controlar la potencia y los equipos eléctricos. Conocer la distinción entre los dos tipos de fuentes de alimentación, lineales y conmutadas, le ayudará a tomar una mejor decisión sobre cuál utilizar para su equipo, garantizando así el correcto funcionamiento de sus dispositivos.

Fuentes de alimentación de CC

La dinámica de funcionamiento de las fuentes de alimentación de CC implica varios procesos clave que garantizan la conversión de la potencia de entrada (ya sea CA o CC) en una salida de CC regulada adecuada para diversos dispositivos electrónicos.

La dinámica operativa

Etapa de entrada

• Conversión de CA a CC: En primer lugar, una fuente de alimentación que tenga entrada de CA se convertirá en tensión de CC. Esto es posible gracias a un circuito rectificador que normalmente está compuesto por diodos que permiten que la corriente pase en una sola dirección. Por lo tanto, la corriente alterna se convierte en corriente continua pulsante.
• Conversión de CC a CC : Si la tensión de entrada de CC ya está en el rango deseado pero necesita un ajuste (hacia arriba o hacia abajo), se utiliza un conversor de CC a CC.
• Suavizar la salida: Tras la rectificación, la tensión continua puede presentar ondulaciones considerables. Los condensadores y a veces los inductores se utilizan para suavizar estas ondulaciones, formando una salida de CC más estable. Este paso, importante para aplicaciones que requieren una tensión de alimentación muy estable, es el siguiente.

Reglamento

• Mantenimiento de la estabilidad de salida: Los reguladores de tensión se emplean para mantener estable la tensión de salida incluso en el caso de que cambie la tensión de entrada o cambien las condiciones de carga. Los reguladores pueden formar parte de un diseño lineal o de conmutación:Los reguladores pueden formar parte de un diseño lineal o de conmutación:

Etapa de salida

• Ajuste final y protección: La última etapa de la etapa de salida puede incluir un filtro adicional o un protector contra transitorios para garantizar que los componentes electrónicos sensibles estén protegidos contra picos de tensión y ruido excesivo. Esta característica también ayuda a la fuente de alimentación a mantener la estabilidad del suministro de corriente evitando que se sobrecaliente o se vuelva inestable.

La dinámica de funcionamiento de las fuentes de alimentación de CC implica varios procesos clave que garantizan la conversión de la potencia de entrada (ya sea CA o CC) en una salida de CC regulada adecuada para diversos dispositivos electrónicos.

Tipos de fuentes de alimentación de CC

Existen principalmente dos tipos de fuentes de alimentación de CC en función de su método de regulación de la tensión: lineales y conmutadas.

• Fuentes de alimentación lineales de CC: El diseño de estas fuentes es sencillo y tienen muy pocos componentes. El transformador, el rectificador y el regulador lineal son los componentes que suelen estar presentes. Esta simplicidad no sólo aumenta la fiabilidad, sino que también facilita el mantenimiento y la resolución de problemas, lo que convierte a las fuentes de alimentación lineales en la primera opción para aplicaciones en las que la robustez y la facilidad de funcionamiento son los criterios principales.
• Fuentes de alimentación de CC conmutadas: Estas fuentes de alimentación son complejas en términos de circuitos, que implican elementos de conmutación de alta frecuencia como transistores o MOSFET para controlar con precisión la tensión y la corriente de salida. Aunque el diseño es complejo, es capaz de lograr una mayor eficiencia minimizando las pérdidas de energía y también la capacidad de manejar una gama más amplia de tensiones de entrada y cargas, lo que la convierte en una buena solución para aplicaciones críticas.

Tanto las configuraciones lineales como las conmutadas utilizan fuentes de alimentación de CC, pero hay muchas diferencias entre ambas.

¿Qué es una fuente de alimentación lineal?

La fuente de alimentación lineal es un tipo de fuente de alimentación que utiliza un diseño electrónico sencillo para obtener una tensión de salida de CC sin fluctuaciones. Funciona, en primer lugar, convirtiendo la tensión de CA en CC de menor tensión y, a continuación, filtrándola para obtener una CC más suave. La parte crucial, un regulador de tensión lineal, que se encarga de mantener una salida constante disipando la tensión extra en forma de calor.

Principio de funcionamiento

Una fuente de alimentación lineal se encarga de convertir la corriente alterna (CA) de la red eléctrica en la tensión estable de corriente continua (CC) que necesitan los dispositivos electrónicos. Lleva a cabo esta tarea implementando varias etapas que incluyen transformación, rectificación, filtrado y regulación para producir una salida de CC constante y estable.

Pasos detallados

• Transformador: El transformador eleva la tensión alterna de la fuente. Esta parte del sistema de alimentación se encarga de reducir la alta tensión de la red a un nivel más bajo, más adecuado para su uso con circuitos electrónicos. También ofrece el aislamiento de las entradas y salidas, que es una característica de seguridad.
• Rectificador: La tensión alterna se reduce a un nivel inferior de tensión continua, que se introduce en el circuito rectificador, normalmente formado por diodos. El rectificador convierte la CA en CC pulsante unidireccional haciendo que la corriente fluya sólo en una dirección.
• Condensador de filtro (Condensador de suavizado): A continuación, el rectificador suaviza las pulsaciones de CC (elimina las ondulaciones). A continuación se coloca un condensador de filtro para garantizar que las pulsaciones se suavizan. El condensador almacena energía en los picos y la libera en los valles, lo que genera una tensión continua constante.
• Regulador de tensión: La etapa intermedia es la parte más importante para que la regulación mantenga constante la tensión de salida a pesar de las variaciones de la tensión de entrada o de las condiciones de carga. El regulador altera la resistencia dentro del circuito para anular cualquier fluctuación de tensión, por lo que la salida se mantiene constante.
• Salida Condensador: Se puede añadir un condensador adicional a la salida para aumentar la estabilidad, reduciendo el rizado y el ruido y mejorando así la calidad de la salida de CC.
• Las fuentes de alimentación lineales funcionan de la siguiente manera: conversión, rectificación, suavizado y regulación, lo que produce una salida de CC limpia y estable. Las fuentes de alimentación lineales son menos eficientes, ya que se calientan durante la etapa de regulación de la tensión, pero su diseño sencillo y eficaz las hace muy fiables.

Aplicaciones específicas

• Equipos de audio (por ejemplo, amplificadores de audio, equipos de grabación, sintetizadores musicales)
• Industria de la automatización (por ejemplo, equipos de automatización de laboratorios, sistemas de control de posición de precisión, equipos de ensayo y medición)
• Equipos médicos (por ejemplo, electrocardiógrafo, equipo médico de diagnóstico por imagen, analizador de laboratorio)

Ventajas y desventajas

Las principales ventajas de las fuentes de alimentación lineales son: diseño sencillo, rizado de salida muy bajo, respuesta más rápida y excelente tiempo de respuesta. Sin embargo, también son bastante visibles sus desventajas, como su menor eficiencia, mayor tamaño y considerable emisión de calor, que dificultan su uso en dispositivos portátiles.

¿Qué es una fuente de alimentación conmutada?

Una fuente de alimentación conmutada es un dispositivo electrónico que convierte la energía eléctrica de forma eficiente mediante la rápida conexión y desconexión de su salida para controlar la cantidad de energía suministrada a la carga. Además, también se denomina fuente de alimentación conmutada (SMPS) y se utiliza para aplicaciones de alta eficiencia y alta corriente. A diferencia de las fuentes de alimentación lineales que regulan la salida disipando el exceso de energía en forma de calor, las fuentes de alimentación conmutadas incorporan componentes de estado sólido que sirven como regulador conmutado para modular y regular las tensiones de entrada. Este regulador emplea inductores, diodos y condensadores para convertir la tensión de entrada en una onda cuadrada de alta frecuencia que luego se modula a una frecuencia más baja mediante la modulación por ancho de pulsos (PWM).

Principio de funcionamiento

Una fuente de alimentación conmutada es un convertidor de energía eléctrica de alta eficiencia que funciona encendiéndose y apagándose rápidamente, regulando el suministro de energía mediante circuitos avanzados. Si se pregunta cómo funciona una fuente de alimentación conmutadaEste proceso permite que el dispositivo alcance una alta eficiencia al tiempo que genera mucho menos calor en comparación con las fuentes de alimentación lineales tradicionales.

Pasos detallados

• Alimentación de entrada de CA y rectificación de entrada: El proceso comienza con la alimentación de entrada de CA y, a continuación, la alimentación de CC se rectifica mediante diodos o un puente rectificador. En este paso, el voltaje de CA se convierte en voltaje de CC y esto se hace para que la señal sea adecuada para su posterior procesamiento.
• Filtrado: La corriente continua pasa por los filtros, que suelen ser condensadores y a veces inductores, para eliminar los componentes de corriente alterna y estabilizar la tensión continua antes de encenderla.
• Alta frecuencia Interruptor: El SMPS no puede funcionar sin un interruptor de alta frecuencia que suele ser un transistor y que conecta y desconecta rápidamente la tensión continua. En este caso, la conmutación se produce a velocidades muy altas (entre decenas de kHz y MHz), lo que puede reducir considerablemente el tamaño del transformador de potencia.
• Transformador de potencia: El transformador de la SMPS funciona de forma diferente a los de las fuentes de alimentación lineales, ya que trabaja a altas frecuencias y, por lo tanto, es mucho más pequeño. Por ello, la tensión se ajusta a los niveles adecuados para la carga.
• Ciclo de trabajo Circuitos de control y mando: El ciclo de trabajo de la conmutación, que es la relación entre el tiempo que el interruptor está encendido y apagado, se ajusta para ajustar la tensión de salida. Este control se implementa mediante circuitos de alta tecnología, que siempre están monitorizando la tensión de salida y realizan los cambios de ciclo de trabajo necesarios para mantener la salida estable a pesar de los cambios en la carga o la tensión de entrada.
• Salida Rectificación y filtrado: El transformador transforma la CA en alta frecuencia. A continuación, la CA de alta frecuencia se rectifica a CC. Otro proceso de filtrado mediante condensadores (y a veces inductores) consiste en eliminar el ruido y los picos de tensión de la salida, haciéndola suave y estable.

Aplicaciones específicas

1. Electrónica de consumo (por ejemplo, teléfonos inteligentes, tabletas, televisores, sistemas de audio, etc.).
2. Industria de la automatización (por ejemplo, robots industriales, cadenas de montaje automatizadas y sistemas de control de procesos, como ordenadores, sensores, sistemas de software, etc.).
3. Equipos de comunicación (por ejemplo, teléfonos inteligentes, estaciones base inalámbricas, equipos de comunicación por satélite, routers de red, etc.).

Principales diferencias entre dos suministros

La decisión entre fuentes de alimentación lineales y conmutadas

Los factores que deben tenerse en cuenta al elegir los equipos de automatización son:

• Eficiencia: La fuente de alimentación conmutada es más eficiente que otros tipos, especialmente cuando la carga es cambiante.
• Tamaño y peso: Las fuentes de alimentación conmutadas son más adecuadas para aplicaciones con restricciones de espacio por su reducido tamaño y peso.
• Generación de calor: Las fuentes de alimentación lineales, que funcionan de forma continua, generan más calor y pueden necesitar disipadores de calor adicionales para su refrigeración. En cambio, las fuentes de alimentación conmutadas producen menos calor debido a su alta eficiencia y funcionamiento intermitente, lo que puede eliminar la necesidad de refrigeración y mejorar así la fiabilidad del sistema.
• Regulación de tensión y respuesta a transitorios de carga: Una fuente de alimentación lineal suele ofrecer mejor regulación de tensión y respuesta transitoria que una fuente de alimentación conmutada, por lo que es la más adecuada para las aplicaciones que requieren una tensión de salida muy precisa y estable, como los sistemas de instrumentación y control.
• Coste total de propiedad (TCO): Aunque comprar fuentes de alimentación con conmutador puede ser más caro al principio, son más eficientes y esto puede significar un bajo coste de funcionamiento a largo plazo, especialmente cuando hay un alto uso de energía.

Conclusión

La elección entre una fuente de alimentación lineal o conmutada depende del análisis del rendimiento y de la comparación de sus respectivas ventajas e inconvenientes con sus requisitos particulares de alimentación y el entorno de la aplicación. La fuente de alimentación lineal es una buena elección para aplicaciones que requieren poco ruido y alta fiabilidad, mientras que la fuente de alimentación conmutada es perfecta para cuando se necesita eficacia y versatilidad, especialmente en espacios reducidos. Tenga en cuenta que la mejor decisión depende de las necesidades específicas de su aplicación, intentando lograr un equilibrio entre coste, eficiencia y rendimiento para conseguir el sistema de alimentación perfecto.