Todo sobre la alimentación en modo conmutado

El circuito de alimentación desempeña un papel esencial en cualquier circuito eléctrico y electrónico para suministrar energía eléctrica al circuito o a las cargas, como máquinas, ordenadores, etc. Estas diferentes cargas requieren diferentes formas de energía en varios niveles y características. Por ello, la energía se convierte en la forma deseada mediante diferentes convertidores de potencia. Básicamente, las diferentes cargas funcionan con varios tipos de fuentes de alimentación, como las SMPS (fuentes de alimentación conmutadas), las fuentes de alimentación de CA, las fuentes de alimentación de CA-CD, las fuentes de alimentación programables, las fuentes de alimentación de alta tensión y las fuentes de alimentación ininterrumpida.

¿Qué es la SMPS (fuente de alimentación conmutada)?

Una SMPS es cuando la fuente de alimentación está equipada con un regulador conmutado que convierte la electricidad de una forma a otra con las características requeridas. Esta fuente de alimentación se utiliza para obtener una tensión CC o/p regulada a partir de CC i/p o CA no regulada.

La SMPS es un circuito complicado, como otras fuentes de alimentación, que suministra energía desde una fuente a las cargas. El SMPS es esencial para varios dispositivos eléctricos y electrónicos que consumen energía y también para el diseño de proyectos electrónicos.

Topologías de SMPS

Las topologías SMPS se clasifican en diferentes tipos: convertidor AC-DC, convertidor DC-DC, convertidor Forward y convertidor Flyback.

Principio de funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas

A continuación se explica el funcionamiento de las topologías de fuentes de alimentación conmutadas.

Funcionamiento del convertidor DC-DC SMPS

En esta fuente de alimentación, la corriente continua de alto voltaje se adquiere directamente de una fuente de alimentación de corriente continua. A continuación, esta corriente continua de alto voltaje se conmuta normalmente en el rango de 15KHz-5KHz. A continuación, se alimenta a un transformador reductor de 50 Hz. El o/p de este transformador se alimenta al rectificador, y esta potencia o/p rectificada se utiliza como fuente para las cargas; se controla el tiempo de encendido del oscilador y se forma un regulador de bucle cerrado.

La fuente de alimentación conmutada o/p se regula mediante la modulación por ancho de pulsos que se muestra en el circuito anterior: el interruptor es accionado por el oscilador PWM, y luego, indirectamente, se controla el transformador reductor cuando se suministra energía al transformador. Por tanto, el o/p se controla mediante la modulación de la anchura de los impulsos, ya que la tensión del o/p y la señal PWM son inversamente proporcionales entre sí. Si el ciclo de trabajo es del 50%, se transfiere la máxima potencia a través del transformador; si el ciclo de trabajo disminuye, la potencia del transformador también disminuye, reduciendo la disipación de energía.

Funcionamiento del convertidor SMPS AC -DC

Este tipo de SMPS tiene una corriente alterna que se convierte en corriente continua mediante un rectificador y un filtro. Esta tensión continua no regulada se envía a los circuitos de corrección del factor de potencia cuando se ve afectada. De hecho, cerca de los picos de tensión, el rectificador absorbe impulsos de corriente cortos con una energía de alta frecuencia que afecta a la reducción del factor de potencia.

Se trata de un convertidor casi similar al comentado anteriormente, pero en lugar de una alimentación de corriente continua, aquí se utiliza una alimentación de corriente alterna. Por tanto, en este diagrama de bloques, la mezcla de rectificador y filtro se utiliza para convertir la corriente alterna en continua, y la operación de conmutación se realiza mediante un amplificador MOSFET de potencia. El transistor MOSFET consume una baja resistencia de encendido y puede soportar altas corrientes. La frecuencia de conmutación se selecciona para que se mantenga baja para los humanos normales (por encima de 20KHz) y la acción de conmutación se controla por retroalimentación mediante el oscilador PWM.

De nuevo, esta tensión alterna se introduce en el o/p del transformador mostrado en la figura anterior para aumentar o disminuir los niveles de tensión. A continuación, el o/p de este transformador se rectifica y suaviza mediante el filtro o/p y un rectificador. La tensión o/p se controla mediante un circuito de realimentación que la compara con la tensión de referencia.

Funcionamiento del convertidor fly-back SMPS

El circuito SMPS que tiene una potencia o/p muy baja (menos de 100W) se llama SMPS de convertidor fly-back. Este tipo de SMPS es un circuito muy bajo y sencillo en comparación con otros circuitos SMPS. Este tipo de SMPS se utiliza para aplicaciones de baja potencia.

La tensión i/p no regulada con una magnitud constante se transforma en una tensión o/p preferente mediante una conmutación rápida con un MOSFET; la frecuencia de conmutación es de unos 100 kHz. El aislamiento de la tensión se puede conseguir utilizando un transformador. El funcionamiento del interruptor se puede controlar con un PWM durante la ejecución de un práctico convertidor fly-back.

El transformador fly-back tiene características diferentes a las del transformador normal. El transformador fly-back consta de dos bobinas que actúan como un inductor acoplado magnéticamente. El o/p de este transformador pasa por un condensador y un diodo para el filtrado y la rectificación. Como se muestra en la figura anterior, el o/p del SMPS puede considerarse como la tensión a través del condensador de filtro.

Funcionamiento de un SMPS de convertidor directo

Este tipo de SMPS es casi idéntico al tipo de SMPS de convertidor frontal. Sin embargo, en este tipo de SMPS se conecta un mando al o/p del devanado secundario del transformador para controlar el interruptor. En comparación con el convertidor fly back, el circuito de filtrado y rectificación es más complicado.

También se denomina convertidor DC-DC buck, junto con un transformador que se utiliza para escalar y aislar. Además del diodo "D1" y el condensador "C", se conectan al extremo o/p un inductor L y un diodo D. Si se activa el interruptor "S", el i/p se envía al devanado primario del transformador. Por tanto, se produce una tensión escalada en el devanado secundario del transformador.

Por lo tanto, el diodo D1 se polariza hacia delante y la tensión escalar pasa a través del LPF procediendo a la carga. Cuando se conecta el interruptor S, las corrientes que atraviesan el devanado llegan a cero, pero la corriente que atraviesa el filtro inductivo y la carga no puede modificarse en poco tiempo y se ofrece un carril a esta corriente mediante el diodo D2. Al utilizar el inductor del filtro, la tensión necesaria a través del diodo D2 y para mantener la fuerza electromagnética necesaria para mantener la estabilidad de la corriente en el filtro inductivo. Aunque la corriente disminuye con respecto a la tensión o/p, la tensión o/p permanece casi constante debido a la existencia de un gran filtro capacitivo. Se utiliza habitualmente para diversas aplicaciones de conmutación con una potencia entre 100 W y 200 W.

Es fuente de alimentación conmutada y sus tipos: convertidor Buck, convertidor Buck-boost, convertidor fly-back auto-oscilante, convertidor Boost, Cuk, Sepic, Boost-buck. Sin embargo, en este artículo se tratan algunos tipos de SMPS: convertidor CA-CC, convertidor CC-CC, convertidor Forward y convertidor Fly-back. Además, para cualquier información sobre los tipos de SMPS, no dudes en dar tus sugerencias y comentarios en la sección de comentarios de abajo.