Exploración de los distintos tipos de fuentes de alimentación: Una guía completa

Prefacio: ¿Qué es la alimentación eléctrica?

La fuente de alimentación es el componente principal de los sistemas electrónicos y suministra energía a una gran variedad de dispositivos. Transforma la energía eléctrica de la fuente, por ejemplo una toma de corriente, a la tensión, corriente y frecuencia precisas para que el aparato funcione. Las fuentes de alimentación son una parte importante del funcionamiento de todos los electrodomésticos y dispositivos industriales. Conocer los distintos tipos de fuentes de alimentación disponibles le ayudará a elegir la que mejor se adapte a sus necesidades, lo que a su vez garantizará que sus dispositivos sean eficientes, fiables y seguros.

Proceso de funcionamiento de la fuente de alimentación

El proceso comienza con la tensión de entrada, que es una corriente alterna (CA) representada por una onda sinusoidal. La tensión alterna pasa a un transformador que reduce el nivel de tensión a una tensión alterna más baja y práctica, adecuada para los siguientes pasos. A continuación, la tensión alterna reducida pasa al circuito rectificador, que normalmente se construye utilizando el puente rectificador, y convierte la tensión alterna en una corriente continua (CC) pulsante. Después de la corrección, la tensión continua pulsante pasa a través de un condensador que se utiliza para filtrar las ondulaciones y fluctuaciones, por lo que la tensión continua se suaviza. Una vez suavizada, la tensión continua pasa a través de un regulador, que la mantiene constante y estable, y la tensión de salida cumple los requisitos específicos de los distintos dispositivos electrónicos. El proceso de transformación, rectificación, filtrado y regulación lleva la fuente de alimentación de la tensión principal de CA a una tensión de CC estable que puede alimentar una amplia gama de equipos.

Tipos básicos de fuentes de alimentación

Las fuentes de alimentación pueden clasificarse a grandes rasgos en fuentes de alimentación de CA y de CC, cada una con sus propios subtipos y aplicaciones específicas.

Fuentes de alimentación de CA

Las fuentes de alimentación de CA convierten la tensión de CA de la red eléctrica en los niveles de tensión de CA o CC necesarios. Se suelen utilizar en aplicaciones domésticas e industriales en las que la corriente alterna es la fuente principal.

Fuente de alimentación de CA no regulada

Las fuentes de alimentación de CA sin regulación generan una tensión de salida que fluctúa con la carga y la tensión de entrada. Pueden diseñarse de forma relativamente sencilla y fabricarse fácilmente, por lo que las fuentes de alimentación de este tipo suelen ser más baratas que las reguladas. Sin embargo, esta fuente de alimentación tiene la ventaja de que es rentable, pero su tensión de salida puede fluctuar considerablemente con los cambios de carga y tensión de entrada, lo que puede afectar al rendimiento de los equipos electrónicos sensibles y provocar inestabilidad en la tensión. Además, este tipo de baterías son más propensas al ruido eléctrico y a las interferencias, por lo que no son adecuadas para aplicaciones que requieren una regulación exacta de la tensión.

Aplicaciones

Electrodomésticos (por ejemplo, ventiladores eléctricos, calefactores sencillos y bombillas incandescentes).

Fuente de alimentación regulada en CA

La fuente de alimentación regulada de CA presenta un rendimiento bueno y estable. Es capaz de suavizar la salida y proporcionar una tensión de salida constante independientemente de las variaciones de entrada o los cambios de carga. También aumenta la eficiencia y la vida útil de los dispositivos electrónicos al protegerlos de los picos y caídas de tensión transitorios. Por tanto, es una fuente de alimentación adecuada para los componentes y sistemas electrónicos.

Aplicaciones

• Electrónica sensible (por ejemplo, equipos médicos, instrumentos de laboratorio)
• Sistemas industriales (por ejemplo, accionamientos y motores, sistemas de automatización industrial, sistema de seguridad)

Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI)

Estos SAI incluyen la continuidad de la alimentación, que no sólo mantiene los sistemas importantes en funcionamiento durante los cortes de energía para evitar la pérdida de datos y daños en el hardware, sino que también protege contra sobretensiones y picos de tensión para evitar que se dañen los equipos sensibles. Sin embargo, la inclusión de baterías y otros elementos de reserva en un sistema SAI lo hace más costoso, y las baterías deben revisarse y sustituirse periódicamente para garantizar un funcionamiento fiable.

Aplicaciones

• Centros de datos
• Equipos médicos
• Instalación de oficinas en casa

DC Fuentes de alimentación

Las fuentes de alimentación de CC son esenciales para los dispositivos que funcionan con tensión continua. Están disponibles en varias formas para satisfacer diferentes aplicaciones y requisitos.

Fuente de alimentación a pilas

La energía de las fuentes de alimentación a pilas se almacena en la pila en forma de energía química y luego se convierte en tensión continua. Son móviles y pueden utilizarse en varios lugares sin depender de la red eléctrica, ofreciendo energía constante durante los apagones o en zonas donde no se dispone de red eléctrica. Sin embargo, la energía almacenada en estas baterías es limitada y debe recargarse o sustituirse una vez agotada. Además, las baterías se degradan con el tiempo y requieren un mantenimiento regular para conservarlas en buen estado. Se suelen emplear en maquinaria portátil, sistemas de emergencia y aplicaciones desatendidas en las que no se puede acceder a la red eléctrica.

Aplicaciones

• Dispositivos móviles (por ejemplo, ampliamente utilizados en teléfonos inteligentes, tabletas y ordenadores portátiles)
• Sistemas de emergencia (por ejemplo, sistemas de iluminación, sistemas de comunicación)
• Aplicaciones remotas: (por ejemplo, sistema de vigilancia, sistemas de telemetría)

Fuente de alimentación lineal

Las fuentes de alimentación lineales son lineales por naturaleza, ofrecen una alimentación limpia con un bajo nivel de ruido y una regulación exacta de la tensión con gran precisión. Sin embargo, los dispositivos basados en regulación lineal generan mucho calor, por lo que son menos eficientes que las fuentes de alimentación conmutadas y son más grandes y pesadas en comparación con estas últimas, lo que puede ser un problema importante en aplicaciones con limitaciones de espacio. Son las opciones preferidas para las aplicaciones que requieren una alimentación limpia y estable.

Aplicaciones

• Equipos de audio
• Instrumentos de laboratorio

Fuente de alimentación conmutada

Las SMPS (fuentes de alimentación conmutadas) funcionan con conmutación de alta frecuencia para convertir CA en CC, y el proceso de conversión se produce con pérdidas mínimas de energía. Son más pequeñas y ligeras que las fuentes de alimentación lineales, lo que da a los diseñadores más flexibilidad y pueden utilizarse en diseños más pequeños y compactos, y son eficientes. Sin embargo, sus circuitos son más complejos que los de una fuente de alimentación lineal, lo que dificulta su diseño y la resolución de problemas. Además, los interruptores de alta frecuencia pueden provocar interferencias electromagnéticas (EMI), por lo que pueden necesitar un filtrado adicional. También son adecuados para muchas aplicaciones, como la electrónica de consumo o los sistemas industriales.

Aplicaciones

• Electrónica de consumo: (por ejemplo, ordenadores, televisores, cargadores de pilas)
• Sistemas industriales: (por ejemplo, automatización industrial, sistemas de control)
• Equipos informáticos (por ejemplo, centros de servidores, centros de datos)

Tipos de SMPS

Las fuentes de alimentación conmutadas pueden clasificarse en topologías aisladas y no aisladas:

Topologías aisladas

La topología aislada está equipada con numerosos convertidores; convertidores flyback para aplicaciones de baja y media potencia, que ofrecen las ventajas de la sencillez y la rentabilidad. Garantiza la eficiencia de la conversión de potencia y la regulación para convertidores forward de potencia media. Convertidores push-pull para usos de alta potencia que son más eficientes que los convertidores CC-CC y pueden manejar más potencia. Convertidores de medio puente para aplicaciones tanto de media como de alta potencia que garantizan rentabilidad y eficacia. La tecnología ofrece un alto rendimiento y capacidad de manejo de potencia a los convertidores de puente completo, que pueden utilizarse en aplicaciones de alta potencia. Eficientes y con bajas interferencias electromagnéticas, los convertidores resonantes LLC se utilizan a menudo en aplicaciones de gama alta. También son adecuados para convertidores de doble puente activo (DAB) para el flujo bidireccional de potencia y sistemas de almacenamiento de energía.

Topología no aislada

Ejemplos de topologías no aisladas son los convertidores buck, que pueden utilizarse para regular la tensión, y los convertidores boost, que pueden utilizarse para aumentar la tensión para alimentar la batería, y la combinación de ambas funciones buck-boost para dar flexibilidad a la regulación de la tensión, convertidor buck-boost.

Fuente de alimentación programable

Las fuentes de alimentación programables pueden configurarse para proporcionar niveles de tensión y corriente de salida a través de la interfaz de usuario o del mando a distancia. Los usuarios pueden seleccionar fácilmente la tensión y corriente de salida, y disponen de las opciones de salida ajustable y control remoto. Sin embargo, tienen un coste y una complejidad adicionales debido a sus opciones avanzadas y funciones de programación. Son perfectamente adecuados para pruebas, desarrollo y procesos de automatización en laboratorios y líneas de producción.

Aplicaciones

• Pruebas de laboratorio
• Líneas de producción automatizadas
• Creación de prototipos

Fuente de alimentación especializada

Las fuentes de alimentación especializadas se desarrollan para fines especiales, satisfacen requisitos específicos, garantizan el máximo funcionamiento y seguridad y ofrecen una gran fiabilidad. Sin embargo, la personalización y las estrictas normas encarecen la tecnología, y la fuente de alimentación tiene usos limitados, a menudo diseñada para aplicaciones específicas, lo que limita su versatilidad para otros usos.

Aplicaciones:

• Equipos médicos (por ejemplo, ecografía doppler en color, instrumento de bioquímica, TAC)
• Sistemas aeroespaciales: (por ejemplo, equipos aerotransportados, instrumentos electrónicos de vuelo)

Cómo elegir distintas fuentes de alimentación

A la hora de elegir la fuente de alimentación adecuada, hay que tener en cuenta aspectos como la estabilidad, la eficiencia, el coste, la complejidad, el tamaño y la aplicación. Por ejemplo, las fuentes de alimentación lineales son mejores en cuanto a estabilidad y bajo nivel de ruido, pero son menos eficientes que las fuentes de alimentación conmutadas y más voluminosas. Por otro lado, las fuentes de alimentación conmutadas son las más eficientes y compactas, pero al mismo tiempo pueden introducir ruido y complejidad en el diseño.

La elección adecuada de una fuente de alimentación depende de los requisitos específicos de la aplicación, como los niveles de tensión, la capacidad de corriente, las necesidades de distribución de energía y las condiciones ambientales. Además, hay que tener en cuenta el coste del ciclo de vida de un producto, incluido el precio de compra inicial, la eficiencia operativa y las necesidades de mantenimiento.

Conclusión

En resumen, cada tipo de fuente de alimentación tiene sus puntos fuertes y débiles. La tabla siguiente compara estas fuentes de alimentación en función de criterios clave:

Preguntas frecuentes

¿Qué tipo de pruebas se realizan para garantizar la fiabilidad y estabilidad de las fuentes de alimentación?

Las fuentes de alimentación se someten a diversas pruebas rigurosas para garantizar su fiabilidad y estabilidad. Se realizan pruebas de regulación de carga, regulación de línea, tensión de rizado, estabilidad de temperatura y respuesta transitoria. Además, los fabricantes realizan pruebas de estrés en diversas condiciones ambientales para garantizar la fuerza y resistencia del producto.

¿Qué futuro tiene la tecnología de alimentación eléctrica?

Las tendencias en el desarrollo de la tecnología de fuentes de alimentación incluyen la mejora de las fuentes de alimentación con diseños más eficientes y compactos, la integración de fuentes de energía renovables, como los paneles solares, y el uso de materiales avanzados para reducir las interferencias electromagnéticas y la pérdida de energía. La tendencia hacia fuentes de alimentación inteligentes con funciones programables y conectividad también está aumentando con el objetivo de las aplicaciones IoT.

¿En qué se diferencian la fuente de alimentación y la fuente de alimentación conmutada?

Una fuente de alimentación es un término general para cualquier dispositivo que proporcione energía eléctrica a un sistema electrónico. Si tiene curiosidad qué es una fuente de alimentación conmutadaLas fuentes de alimentación conmutadas son un tipo especializado de fuente de alimentación que utiliza la conmutación de alta frecuencia para convertir eficazmente la energía eléctrica. Las fuentes de alimentación conmutadas son conocidas por su alta eficiencia, menor tamaño y peso más ligero, lo que las convierte en la opción preferida frente a las fuentes de alimentación lineales tradicionales.