Guía definitiva: ¿Qué es una fuente de alimentación conmutada?

Prefacio

El progreso de las fuentes de alimentación conmutadas es una prueba del avance tecnológico. Con la introducción continua de nuevas tecnologías, los primeros dispositivos se crearon a mediados del siglo XX y se desarrollaron considerablemente.Desde las unidades grandes e ineficaces hasta los modelos compactos y de alta eficiencia de hoy en día, la trayectoria de las SMPS representa la tendencia general de la innovación electrónica, impulsada por la necesidad de soluciones de alimentación más pequeñas y eficientes. La industria de la automatización no está completa sin la presencia de una alimentación eficiente y fiable. De los diferentes tipos disponibles, la fuente de alimentación conmutada se ha convertido en la piedra angular de la electrónica moderna en virtud de su eficiencia y adaptabilidad. Esta guía pretende aclarar los principios básicos y avanzados que rigen el funcionamiento de las SMPS (fuentes de alimentación conmutadas) y cómo se han convertido en la elección obligada para una fuente de alimentación eficiente.

¿Qué es una fuente de alimentación conmutada?

Una fuente de alimentación conmutada es un dispositivo electrónico que convierte la energía eléctrica a través de un regulador de conmutación que convierte la energía de manera eficiente. A diferencia de las fuentes de alimentación lineales convencionales, puede hacer frente a la variación de la tensión de entrada y la potencia de salida de una manera eficiente. Por lo tanto, es adecuada para las aplicaciones que requieren una fuente de alimentación estable y fiable con una disipación de calor mínima. La tensión de salida deseada puede alcanzarse fácilmente con una fuente de alimentación conmutada, lo que la convierte en una opción popular para diversos dispositivos.

Fuente de alimentación lineal VS conmutada

En los sistemas electrónicos, una fuente de alimentación es una parte indispensable que los hace operativos convirtiendo cualquier forma de energía en una forma útil. A la hora de decidirse por una fuente de alimentación, es imprescindible conocer las fuentes de alimentación lineales y conmutadas, ya que ambas tienen atributos diferentes que se adaptan a aplicaciones distintas. En esta comparación se tienen en cuenta los detalles más importantes relativos al tamaño, la capacidad de deshacerse del exceso de calor o el rendimiento de la alimentación del dispositivo para que la elección resulte más sencilla.

Característica	Fuente de alimentación lineal	Fuente de alimentación conmutada
Eficacia	Menor eficiencia, mayor disipación del calor	Mayor eficiencia, menos calor generado
Talla	Más grande debido a los transformadores pesados	Compacto, más ligero gracias al funcionamiento de alta frecuencia
Ruido	Bajo ruido eléctrico	Mayor ruido, que requiere una compleja supresión del ruido
Coste	Generalmente menos caro	Más costoso pero ofrece un mayor ahorro a largo plazo

En resumen, las fuentes de alimentación lineales funcionan mejor en aplicaciones que requieren circuitos más sencillos con poco ruido, pero suelen tener una temperatura de salida más alta y un aspecto físico más grande. Por el contrario, las fuentes de alimentación conmutadas son eficientes y ocupan poco espacio, lo que las hace apropiadas para otros diseños contemporáneos centrados en la eficiencia energética. Pasar de un tipo a otro depende exclusivamente de la aplicación en términos de salida de calor, absorción de calor, dimensiones y rendimiento.

¿Por qué las fuentes de alimentación conmutadas son mejores que las fuentes de alimentación lineales?

En comparación con las fuentes de alimentación lineales, las fuentes conmutadas son más eficientes y desperdician menos energía en forma de calor. Comprender las diferencias en fuente de alimentación lineal frente a fuente de alimentación conmutada ayuda a elegir la opción adecuada en cuanto a ahorro de energía y rendimiento. Esto no solo los hace más respetuosos con el medio ambiente, sino que también ahorra los costes asociados al consumo de energía y la gestión del calor en equipos electrónicos sensibles.

¿Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada?

La imagen anterior es lo principal que ayuda a comprender cómo la SMPS transforma la corriente alterna en tensión continua regulada. Los componentes y procesos básicos posteriores de una fuente de alimentación conmutada (SMPS) darán una explicación detallada de cómo funciona la fuente de alimentación conmutada (SMPS).

Escenario	Descripción
Alimentación de entrada de CA	El proceso comienza con la alimentación de CA de la toma de corriente de la pared, que sirve como fuente de alimentación primaria para el SMPS.
Rectificación y filtrado de entrada	La tensión alterna entrante se convierte en continua mediante rectificación, lo que da lugar a una corriente continua pulsante (una serie de jorobas). Los filtros, formados por condensadores y a veces inductores, suavizan estos impulsos de tensión para producir una tensión continua más estable.
Interruptor de alta frecuencia y transformador de potencia	La CC suavizada entra en un conmutador de alta frecuencia, que regula el flujo de potencia conectando y desconectando a alta frecuencia. Esto permite reducir el tamaño y el peso del transformador en la siguiente etapa. El transformador ajusta el nivel de tensión (subida o bajada) según los requisitos del diseño.
Rectificación y filtrado de la salida	Tras la transformación, la CC sigue siendo pulsante a alta frecuencia. Se aplica otra etapa de rectificación y filtrado para suavizarla aún más, garantizando que la tensión de salida sea constante y adecuada para los dispositivos electrónicos.
Control del ciclo de trabajo	El inversor conecta y desconecta el interruptor de alta frecuencia para controlar la tensión de salida. Este bucle de realimentación garantiza una tensión de salida constante a pesar de las variaciones de la carga o de la tensión de entrada.
Circuitos de control	Consta de un controlador PWM (Pulse Width Modulation) y un oscilador (OSC). El controlador PWM gestiona el ciclo de trabajo (periodos de encendido y apagado del interruptor) basándose en las señales de alta frecuencia del oscilador. La alta frecuencia de conmutación, que oscila entre decenas de kHz y MHz, contribuye al tamaño compacto y la alta eficiencia de la SMPS.
Retroalimentación y regulación	Un bucle de realimentación supervisa continuamente la tensión de salida e informa al controlador PWM para que ajuste el ciclo de trabajo según sea necesario. Este mecanismo garantiza que la tensión de salida permanezca estable, compensando cualquier desviación causada por cambios de carga o fluctuaciones de entrada.

Gracias a esta inteligente combinación de componentes y procesos, el SMPS garantiza un suministro eléctrico eficaz y fiable con pérdidas mínimas, aplicable en distintos ámbitos, desde pequeños dispositivos de consumo hasta grandes equipos industriales. Su capacidad para adaptarse rápidamente a diversas cargas y condiciones de entrada manteniendo una salida constante es la columna vertebral de los sistemas electrónicos modernos.

Resumen del proceso:

Todo el proceso de la SMPS puede considerarse un ciclo continuo de conversión, regulación y estabilización. En la etapa de conversión, la corriente alterna se convierte en corriente continua y, a continuación, la corriente continua se convierte en diferentes niveles de tensión a través de un transformador de potencia. En la etapa de regulación, se añade realimentación para ajustar continuamente el ciclo de trabajo del conmutador de alta frecuencia con el fin de mantener estable la tensión de salida. Una vez completadas todas las conversiones, entra en la etapa de regulación y, a continuación, se realiza un filtrado adicional para estabilizar la tensión y suministrar energía a los dispositivos electrónicos.

Topologías SMPS

Las SMPS (Switch Mode Power Supplies) emplean diferentes topologías para convertir la energía eléctrica de forma más eficiente. Entre las más utilizadas se encuentran las topologías Buck, Boost y Buck-Boost, cada una de ellas diseñada para necesidades de tensión específicas.

• La configuración de Buck: un convertidor reductor no aislado, es la base para aplicaciones en las que se requiere una tensión de salida más baja a partir de una tensión de entrada más alta. Por ejemplo, reduce la alimentación de 12 V de un ordenador a 5 V para conexiones USB y 1,8 V para controladores DRAM. Su principal ventaja es la eficiencia energética, ya que consume menos corriente media de la entrada y proporciona una salida de alta corriente, lo que es crucial para minimizar las pérdidas de potencia y la generación de calor. Esto es especialmente importante para evitar caídas de tensión, un problema habitual en las fuentes de alimentación conmutadas sometidas a grandes cargas.
• La topología Boost : aumenta la tensión, por ejemplo, de 3,7 V a 5 V, lo que es imprescindible para los dispositivos alimentados por pilas, como los sistemas de iluminación portátiles. Aunque esto aumentará el consumo de corriente, la mayor tensión de salida es esencial para dispositivos que necesitan un aumento de tensión a partir de una fuente de tensión más baja, lo que permite utilizar el dispositivo sin necesidad de varios tipos de pilas.
• El Buck/Boost topología: combina las funcionalidades de los convertidores buck y boost, por lo que es versátil, ya que puede ajustar la tensión de salida tanto por encima como por debajo de la tensión de entrada. Esta flexibilidad es beneficiosa en sistemas en los que la tensión de entrada varía, ya que garantiza una salida constante para que los dispositivos funcionen de forma fiable.

La anterior es una topología simple que no puede aislar la corriente como un transformador y tiene un factor de seguridad bajo. Topologías como flyback (una versión más avanzada del convertidor Buck ofrece la misma funcionalidad con aislamiento eléctrico) y convertidores frontales (una topología SMPS aislada es más eficiente que la topología flyback) utilizan transformadores más complejos que no sólo proporcionan aislamiento, sino que también aumentan la eficiencia y la fiabilidad de la transmisión de potencia.

Tipos de fuentes de alimentación

Din Rail y Enclosed son los dos tipos más comunes de fuentes de alimentación conmutadas, cada uno de los cuales está diseñado para aplicaciones y entornos particulares.

Fuente de alimentación de carril DIN

Las fuentes de alimentación Din Rail están diseñadas para montarse en raíles de montaje estándar, que se utilizan habitualmente en entornos industriales para facilitar la instalación. Estos componentes son especialmente apreciados por su robustez y adaptabilidad, lo que los convierte en una buena opción para los sistemas complejos en los que la alimentación de CC y el bajo nivel de ruido son los principales requisitos. Este tipo de fuente de alimentación es capaz de hacer frente a las condiciones especiales de los entornos industriales, incluida la capacidad de soportar los retos medioambientales y mantener un alto rendimiento a largo plazo.

Con décadas de experiencia, Omch, Su fabricante de fuentes de alimentación para carril DINse ha centrado en crear soluciones fiables y eficientes. Mediante avanzados diseños de circuitos y rigurosos procesos de producción, garantizamos que nuestras fuentes de alimentación ofrezcan un rendimiento constante y se integren a la perfección en los sistemas de automatización industrial para ofrecer fiabilidad a largo plazo.

Fuente de alimentación cerrada

Por otro lado, las fuentes de alimentación cerradas están encerradas en una carcasa protectora, lo que resulta adecuado para aplicaciones que requieren normas de seguridad estrictas. Están pensadas para eliminar los malos síntomas de las fuentes de alimentación, como el rizado y las fluctuaciones, que son vitales en la electrónica de consumo y los entornos industriales más agresivos. El diseño consta de rectificadores y diodos de última generación, que hacen que la conversión de CA a CC sea estable y la gestión de la alimentación eficiente. Por eso son la mejor opción para aplicaciones que requieren un suministro constante de corriente continua en condiciones de cambio constante.

Omch se enorgullece de fabricar fuentes de alimentación cerradas con una potencia de salida constante y fiable, a la vez que extremadamente robustas para soportar entornos industriales difíciles. Nuestras unidades están diseñadas con un complemento completo de funciones de protección, como protección contra sobretensiones, protección contra sobrecargas, etc. También tienen un amplio voltaje de entrada de trabajo y por lo tanto son versátiles en su uso. Nuestra fuentes de alimentación cerradas cuentan con una calidad y fiabilidad insuperables, así como con unas instalaciones de producción totalmente automatizadas y más de treinta y siete años de experiencia en el sector energético. Esta respuesta positiva del mercado nos honra y nos anima a alcanzar nuestros objetivos.

Conclusión

Las fuentes de alimentación Din Rail y Enclosed son ejemplos de la aplicación de las nuevas tecnologías y las características personalizables que hacen su funcionamiento y adaptabilidad a los requisitos específicos de la fuente de alimentación. Tanto si se trata de una fuente de alimentación de alta frecuencia como de una simple aplicación de vacío, el tipo adecuado de fuente de alimentación es la clave para obtener el rendimiento y la durabilidad más eficaces.

Diseño de la fuente de alimentación

Al diseñar una SMPS para el ámbito de la automatización, es fundamental prestar atención a los parámetros críticos para conseguir el mejor rendimiento de la fuente de alimentación.

Al diseñar una fuente de alimentación conmutada (SMPS) para aplicaciones de automatización, es muy importante identificar y planificar cuidadosamente los parámetros críticos para lograr el mejor rendimiento.

• Estabilidad de la tensión de salida

Decide la tensión de salida que se mantendrá constante y estable al variar la potencia de entrada o la carga. Por ejemplo, en la automatización industrial, donde las fluctuaciones de tensión podrían provocar fallos en el sistema, las variaciones de tensión de salida suelen mantenerse en una fracción de porcentaje.

• Eficiencia energética

Elija dispositivos y componentes de conmutación de alta eficiencia para minimizar el derroche de energía. Por ejemplo, la aplicación de tecnologías de conmutación de vanguardia, como los MOSFET de carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN), puede reducir considerablemente las pérdidas por conmutación y aumentar la eficiencia de conversión de energía.

• Supresión de interferencias electromagnéticas (EMI)

Los entornos de automatización suelen estar compuestos por muchos dispositivos electrónicos, por lo que existe una alta probabilidad de que el electromagnetismo afecte al funcionamiento de los equipos electrónicos cercanos.

• Gestión del calor

Una gestión térmica eficaz es la clave para evitar que los componentes se sobrecalienten durante el funcionamiento. Elegir componentes con baja resistencia térmica y diseñar sistemas eficaces de disipación del calor, como disipadores y sistemas de ventilación, son algunos de los factores clave. Además, las funciones de protección térmica, como la desconexión por sobretemperatura, pueden evitar el sobrecalentamiento en entornos con altas temperaturas.

• Diseño compacto

El tamaño físico de los SMPS puede reducirse drásticamente utilizando componentes SMD (montaje superficial) y un diseño modular. Por ejemplo, la conversión de bobinas y condensadores convencionales por otros de montaje superficial puede hacer que todo el módulo de potencia sea más compacto y adecuado para aplicaciones con limitaciones de espacio.

Aplicaciones y usos de las fuentes de alimentación conmutadas

Las fuentes de alimentación conmutadas se han convertido en componentes fundamentales de infinidad de dispositivos electrónicos modernos, desde los más pequeños aparatos de consumo hasta equipos industriales a gran escala.

• Sistemas de automatización de fábricas（por ejemplo, alimentación de armarios de control, sensores y actuadores, variadores de frecuencia）.
• Electrónica de consumo（por ejemplo, televisores, teléfonos inteligentes, ordenadores)
• Sistemas de energía renovable (por ejemplo, inversores solares, controladores de aerogeneradores, etc.).
• Dispositivos médicos (por ejemplo, ECG, escáner CT, ventilador)

Conclusión

En resumen, las SMPS no sólo garantizan una conversión fiable y flexible de la energía, sino que también mejoran la eficiencia energética y el funcionamiento estable de los sistemas electrónicos. Con una gran variedad de topologías disponibles, como convertidores buck, boost y flyback, y tipos como Din Rail y fuentes de alimentación cerradas, las SMPS ofrecen diferentes soluciones que satisfacen las necesidades únicas de la electrónica de consumo, los sistemas de automatización de fábricas y mucho más. Tienen menos pérdidas, gestionan el calor y reducen las interferencias electromagnéticas. Con el avance de la tecnología, el papel de las SMPS probablemente seguirá ampliándose y podrá resolver con éxito los problemas de alimentación eléctrica de formas nuevas y eficientes.

En Omchvamos más allá de las soluciones estándar ofreciendo fuentes de alimentación personalizables adaptadas a sus necesidades específicas. Ya se trate de rango de tensión de entrada, especificaciones de salida, capacidad de potenciao diseños para aplicaciones específicaspodemos crear la solución perfecta para satisfacer los requisitos de su proyecto. Para explorar nuestra oferta y obtener más información sobre cómo nuestras soluciones a medida pueden respaldar sus aplicaciones, visite Fuentes de alimentación conmutadas Omch. A medida que avanza la tecnología, Omch mantiene su compromiso de hacer frente a los retos que plantea la evolución de las fuentes de alimentación con precisión y eficiencia, garantizando que nuestras soluciones sigan funcionando de forma fiable en entornos diversos y exigentes.

Cómo diseñar una SMPS eficiente para la automatización industrial

En el campo de la automatización industrial, el diseño del SMPS (SWITCHING MODE POWER SUPPLY) tiene que ser óptimo en su rendimiento. Sin embargo, hay algunos retos que surgen a la hora de garantizar un rendimiento eficiente y fiable, entre los que se incluyen la supresión de interferencias electromagnéticas (EMI) y la gestión de la generación de calor. Estos retos deben resolverse para garantizar un funcionamiento satisfactorio de la SMPS, y en el siguiente análisis abordaremos estos factores en detalle.

Supresión EMI 

• Técnicas de supresión de EMI: EMI o interferencia electromagnética es uno de los principales problemas que SIEMENS encuentra en la automatización industrial, debido a los múltiples sistemas electrónicos que trabajan conjuntamente. Teniendo en cuenta el diseño inherente de los SMPS, los sistemas experimentan una alta frecuencia de conmutación, que en última instancia perturba e interfiere con otros sistemas. Teniendo en cuenta estas preocupaciones, es crucial recordar algunas técnicas para suprimir la EMI.
• Uso de filtros EMI: El uso de filtros CEM de modo diferencial y modo común de alta calidad en la fase de encendido de un dispositivo es una práctica eficaz para garantizar una interferencia mínima de las modulaciones de ruido en la frecuencia de pico de los dispositivos.
• Blindaje y puesta a tierra: Las emisiones radiadas pueden reducirse considerablemente mediante el apantallamiento electromagnético y el desarrollo de circuitos impresos multicapa con una conexión a tierra adecuada.
• Dispositivos de conmutación optimizados: Una mayor velocidad de conmutación conlleva una menor pérdida de conmutación, lo que resulta beneficioso ya que componentes como los MOSFET de nitruro de galio o carburo de silicio ranurados producen menos emisiones de ruido.
• Cumplimiento de las normas: El desarrollo y el cumplimiento de normas internacionales como CISPR o EN, establece los límites aceptables para los niveles de EMI de las SMPS, lo que permite aplicar técnicas eficaces de control y gestión.

Teniendo en cuenta todas estas técnicas, la SMPS sigue funcionando sin problemas en entornos de alta EMI y, al mismo tiempo, causa problemas mínimos de interconexión con el resto de equipos.

Estrategias para gestionar el calor 

Estrategias para gestionar el calor Estos cambios en el sistema de automatización industrial a menudo requieren el uso de SMPS con altas densidades de potencia y cargas continuas. Para evitar el sobrecalentamiento y garantizar la fiabilidad a largo plazo, estas estrategias de gestión térmica son fundamentales. He aquí algunos enfoques clave:

• Materiales térmicos avanzados: Utilice materiales con baja resistencia térmica, como almohadillas térmicas, disipadores de calor e incluso pasta térmica, para eliminar el calor de los componentes críticos de forma eficaz.
• Mecanismos de refrigeración: En aplicaciones de alta potencia, la incorporación de disipadores de calor más grandes o incluso la integración de sistemas de refrigeración activos, como ventiladores incorporados, eliminarían el calor con mayor eficacia.
• Piezas de baja pérdida: El uso de dispositivos de conmutación de alta eficiencia, como los MOSFET de GaN y SiC, disminuye la generación de calor al reducir la pérdida de energía durante el proceso de conmutación.
• Características de protección térmica: No se recomienda exponer el SMPS a sistemas de funcionamiento extremos sin sensores de temperatura ni circuitos de desconexión por sobretemperatura.

Esto hace que el rendimiento térmico de las SMPS sea terciario y cuaternario en Montreal, pero primario y secundario cuando se trata de entornos industriales. Un nuevo informe afirma que es posible gestionar el calor con técnicas de supresión de EMI con diseños óptimos de SMPS para los requisitos de automatización industrial. Estas Soluciones Son Imperativas Para Las Aplicaciones Industriales Modernas Ya Que Permiten Un Suministro De Energía Estable, Un Tiempo De Inactividad Minimizado Y Un Rendimiento Sostenido.

Ventajas de las fuentes de alimentación conmutadas para la electrónica moderna

La electrónica de potencia comenzó a reconocerse con el uso de reguladores electrónicos de conmutación o fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) en electrónica, lo que permitió aprovechar las numerosas ventajas de las SMPS, como su capacidad para funcionar con una amplia tensión de entrada y seguir teniendo una salida alta y estable. A continuación se muestra una tabla que resume las principales ventajas de las SMPS para los sistemas electrónicos modernos:

Característica	Beneficio	Aplicación
Alta eficacia	Minimiza la pérdida de energía, reduciendo el consumo de calor y electricidad.	Electrónica de consumo (por ejemplo, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles)
Diseño compacto	Menor tamaño y peso gracias al funcionamiento de alta frecuencia.	Dispositivos portátiles, sistemas industriales
Amplio rango de tensión de entrada	Funciona de forma fiable con fuentes de alimentación fluctuantes o inestables.	Sistemas de energías renovables, automatización industrial
Baja generación de calor	Reduce el estrés térmico, alargando la vida útil de los componentes.	Dispositivos médicos, controladores industriales
Regulación de la tensión	Proporciona una salida estable y precisa para componentes electrónicos sensibles.	Telecomunicaciones, sistemas de automoción

Para la electrónica avanzada, la importancia de las fuentes de alimentación conmutadas no se puede exagerar, ya que permite aumentos significativos de eficiencia energética y fiabilidad así como mantener unos costes energéticos y medioambientales razonables. Sin duda, su flexibilidad es clave para promover la evolución de la tecnología en una plétora de aplicaciones. A medida que crece la automatización industrial, la elección de proveedores de piezas de automatización industrial garantiza una integración perfecta de las soluciones energéticas en diversos sistemas. En Omch siendo uno de los precursores en este campo, realiza un esfuerzo encomiable en la fabricación de convertidores de potencia conmutados fiables, eficaces y versátiles, aptos para una amplia gama de tensiones de entrada. Con dos décadas de experiencia en el diseño de circuitos, nuestro grupo diseña soluciones para el mundo real y ofrece diseños de alto rendimiento que pueden competir eficazmente en un mercado en constante cambio. También contamos con la certificación ecológica de las directrices CCC, CE y RoHS, por lo que nuestros productos tienen la calidad que se espera y se exige en el mercado. Omch no sólo le proporciona convertidores de potencia, sino también la oportunidad de descubrir el potencial de las fuentes de alimentación conmutadas.

Preguntas frecuentes sobre fuentes de alimentación conmutadas

P1: ¿Cuáles son las ventajas de la fuente de alimentación conmutada para dispositivos electrónicos en términos de eficiencia?

A1: Los SMPS son capaces de reducir la pérdida de potencia debida al calor y controlar la tensión con mayor precisión, lo que a su vez aumenta la eficiencia y la durabilidad de los dispositivos.

P2: ¿Cuáles son los requisitos de mantenimiento de las fuentes de alimentación conmutadas?

A2: En general, baja; pero la supervisión periódica de los componentes y la limpieza para evitar la acumulación de polvo pueden contribuir a prolongar su vida útil.

P3: ¿Cómo se comprueban la fiabilidad y el rendimiento de las fuentes de alimentación conmutadas?

A3: Se someten a pruebas rigurosas, que incluyen pruebas de estrés, evaluación del rendimiento y cumplimiento de las normas del sector para garantizar su durabilidad y funcionalidad.

P4:¿Qué papel desempeñan las resistencias en una fuente de alimentación conmutada?

A4:Las resistencias de una fuente de alimentación conmutada ayudan a modelar la respuesta del bucle de control y a estabilizar la tensión de salida.