Fuente de alimentación

Las fuentes de alimentación se clasifican de diversas maneras, incluso según sus características funcionales. Por ejemplo, una fuente de alimentación regulada mantiene una tensión o corriente de salida constante a pesar de las variaciones en la corriente de carga o la tensión de entrada. Por el contrario, la salida de una fuente de alimentación no regulada puede variar significativamente cuando cambian la tensión de entrada o la corriente de carga. Las fuentes de alimentación ajustables permiten programar la tensión o la corriente de salida mediante controles mecánicos (por ejemplo, perillas en el panel frontal), mediante una entrada de control o ambas. Una fuente de alimentación regulada ajustable es aquella que es tanto ajustable como regulada. Una fuente de alimentación aislada tiene una salida de potencia eléctricamente independiente de su entrada de potencia; esto contrasta con otras fuentes de alimentación que comparten una conexión común entre la entrada y la salida.

Las fuentes de alimentación se empaquetan de diferentes maneras y se clasifican según corresponda. Una fuente de alimentación de sobremesa es una unidad independiente que se utiliza en aplicaciones como pruebas y desarrollo de circuitos. Las fuentes de alimentación de bastidor abierto tienen solo una carcasa mecánica parcial, a veces compuesta únicamente por una base de montaje; estas suelen estar integradas en maquinaria u otros equipos. Las fuentes de alimentación para montaje en rack están diseñadas para fijarse en racks de equipos electrónicos estándar. Una fuente de alimentación integrada es aquella que comparte una placa de circuito impreso común con su carga. Una fuente de alimentación externa , adaptador de CA o transformador de corriente , es una fuente de alimentación ubicada en el cable de alimentación de CA de la carga que se enchufa a una toma de corriente; un transformador de pared es una fuente de alimentación externa integrada en el propio enchufe. Estos son populares en la electrónica de consumo debido a su seguridad; la peligrosa corriente principal de 120 o 240 voltios se transforma a un voltaje más seguro antes de que entre en la carcasa del aparato.

Las fuentes de alimentación se pueden dividir, a grandes rasgos, en lineales y conmutadas . Los convertidores de potencia lineales procesan la potencia de entrada directamente, con todos los componentes activos de conversión de potencia operando en sus regiones de operación lineal. En los convertidores de potencia conmutados, la potencia de entrada se convierte en pulsos de CA o CC antes de su procesamiento, mediante componentes que operan predominantemente en modos no lineales (por ejemplo, transistores que pasan la mayor parte del tiempo en corte o saturación). Se produce una pérdida de potencia (convertida en calor) cuando los componentes operan en sus regiones lineales y, por consiguiente, los convertidores conmutados suelen ser más eficientes que los convertidores lineales, ya que sus componentes pasan menos tiempo en dichas regiones.

Las fuentes de alimentación a veces se clasifican según su propósito previsto, como "fase frontal CA-CC para polarización de red" o "convertidor CC-CC para regulación en el punto de carga (POL)".

Una fuente de alimentación de CA a CC funciona con una tensión de entrada de CA y genera una tensión de salida de CC. Según los requisitos de la aplicación, la tensión de salida puede contener componentes de frecuencia de CA variables, conocidas como tensión de rizado , que se ven influenciadas por la frecuencia de la tensión de entrada de CA y el funcionamiento de la fuente de alimentación. Una fuente de alimentación de CC que funciona con una tensión de entrada de CC se denomina convertidor CC-CC . Esta sección se centra principalmente en la variante de CA a CC.

Fuente de alimentación lineal

En una fuente de alimentación lineal, la tensión de entrada de CA pasa primero por un transformador de potencia , luego se rectifica y se filtra para producir una tensión de CC. El filtrado minimiza la componente de frecuencia de la red eléctrica presente en la salida del rectificador. Puede ser tan simple como un solo condensador o tan complejo como un filtro pi . El nivel de filtrado requerido en la fuente de alimentación depende de la tolerancia de la carga eléctrica a la ondulación. En algunas aplicaciones, la ondulación puede ignorarse por completo. Por ejemplo, en ciertas aplicaciones de carga de baterías, la fuente de alimentación puede constar únicamente de un transformador y un diodo, con una resistencia en la salida para limitar la corriente de carga.

Una fuente de alimentación de CA normalmente toma el voltaje de una toma de corriente ( red eléctrica ) y utiliza un transformador para elevarlo o reducirlo al voltaje deseado. También puede haber algún filtrado. En algunos casos, el voltaje de la fuente es el mismo que el de salida; esto se denomina transformador de aislamiento . Otros transformadores de alimentación de CA no proporcionan aislamiento de la red eléctrica; estos se denominan autotransformadores ; un autotransformador de salida variable se conoce como variac . Otros tipos de fuentes de alimentación de CA están diseñados para proporcionar una corriente casi constante , y el voltaje de salida puede variar según la impedancia de la carga. En los casos en que la fuente de alimentación es de corriente continua (como una batería de automóvil), se puede utilizar un inversor y un transformador elevador para convertirla en corriente alterna. La energía de CA portátil puede ser proporcionada por un alternador alimentado por un motor diésel o de gasolina (por ejemplo, en una obra de construcción, en un automóvil o barco, o como generador de energía de respaldo para servicios de emergencia) cuya corriente pasa a un circuito regulador para proporcionar un voltaje constante en la salida. Algunos tipos de conversión de energía de CA no utilizan un transformador. Si la tensión de salida y la de entrada son iguales, y el objetivo principal del dispositivo es filtrar la corriente alterna, se le puede llamar acondicionador de línea . Si el dispositivo está diseñado para proporcionar alimentación de respaldo, se le puede llamar fuente de alimentación ininterrumpida . Se puede diseñar un circuito con una topología de multiplicador de tensión para elevar directamente la tensión alterna; antiguamente, una aplicación de este tipo era un receptor de CA/CC de tubo de vacío .

En la actualidad, las fuentes de alimentación de CA se dividen en sistemas monofásicos y trifásicos . También permiten modificar la frecuencia y el voltaje, y los fabricantes las utilizan con frecuencia para comprobar la idoneidad de sus productos para su uso en otros países. Se pueden utilizar 230 V 50  Hz, 115 V 60  Hz o incluso 400  Hz para pruebas de aviónica.

Adaptador de CA

Un adaptador de CA es una fuente de alimentación integrada en un enchufe de corriente alterna . También se le conoce con otros nombres, como adaptador de corriente o adaptador enchufable, o con términos coloquiales como "adaptador de pared". Generalmente, los adaptadores de CA tienen una única salida de CA o CC que se transmite mediante un cable a un conector, pero algunos adaptadores tienen múltiples salidas que pueden transmitirse a través de uno o más cables. Los adaptadores de CA "universales" tienen conectores de entrada intercambiables para adaptarse a diferentes voltajes de la red eléctrica.

Los adaptadores con salida de CA pueden constar únicamente de un transformador pasivo ; en el caso de la salida de CC, los adaptadores constan de un transformador con pocos diodos y condensadores, o bien emplean circuitos de alimentación conmutados. Los adaptadores de CA consumen energía (y generan campos eléctricos y magnéticos) incluso cuando no están conectados a una carga; por esta razón, a veces se les conoce como "vampiros eléctricos" y pueden enchufarse a regletas para poder encenderlos y apagarlos fácilmente.

Una fuente de alimentación programable (PPS) permite el control remoto de su funcionamiento mediante una entrada analógica o una interfaz digital como RS-232 o GPIB . Entre las propiedades que se pueden controlar se incluyen el voltaje, la corriente y, en el caso de las fuentes de alimentación de salida de CA, la frecuencia. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como pruebas de equipos automatizados, monitorización del crecimiento de cristales , fabricación de semiconductores y generadores de rayos X.

Las fuentes de alimentación programables suelen emplear un microordenador integrado para controlar y supervisar su funcionamiento. Las fuentes de alimentación equipadas con una interfaz informática pueden utilizar protocolos de comunicación propietarios o protocolos estándar y lenguajes de control de dispositivos como SCPI .

Las implementaciones más recientes también proporcionan interfaces Ethernet mediante TCP/IP o UDP, o enlaces SFP (Small Form-factor Pluggable) que utilizan protocolos propietarios para lograr un control y monitoreo deterministas y de alto rendimiento. Ethernet es actualmente la solución más extendida, ya que es rentable y fácil de integrar con bancos de pruebas automatizados. ^{[ 3 ]}

Un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) se alimenta de dos o más fuentes simultáneamente. Generalmente, se conecta directamente a la red eléctrica de CA, mientras carga simultáneamente una batería. En caso de un corte o fallo en la red eléctrica, la batería toma el relevo con la suficiente rapidez como para que la carga no sufra ninguna interrupción. Esta definición es importante porque la transmisión de datos de alta velocidad y los servicios de comunicaciones requieren continuidad. Algunos fabricantes utilizan un estándar aproximado de 4 milisegundos. Sin embargo, con datos de alta velocidad, incluso 4 ms de tiempo en la transición entre fuentes no son suficientes. La transición debe realizarse mediante un método de interrupción antes de la conexión. El UPS que cumple con este requisito se denomina UPS verdadero o UPS híbrido. La duración de la alimentación del UPS suele depender de las baterías y de su uso en combinación con generadores. Esta duración puede variar desde 5 a 15 minutos hasta horas o incluso días. En muchas instalaciones informáticas, la autonomía de las baterías es suficiente para que los operadores tengan tiempo de apagar el sistema de forma ordenada. Otros sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) utilizan un motor de combustión interna o una turbina para suministrar energía durante un corte de suministro eléctrico. La duración de la batería depende entonces del tiempo que tarda el generador en conectarse y de la criticidad de los equipos conectados. Este tipo de sistema se encuentra en hospitales, centros de datos, centros de llamadas, estaciones base de telefonía móvil y centrales telefónicas.

Una fuente de alimentación de alto voltaje es aquella que proporciona cientos o miles de voltios. Se utiliza un conector de salida especial que evita la formación de arcos eléctricos , la ruptura del aislamiento y el contacto accidental con el usuario. Los conectores estándar federales se utilizan normalmente para aplicaciones superiores a 20 kV, aunque se pueden utilizar otros tipos de conectores (por ejemplo, el conector SHV ) a voltajes más bajos. Algunas fuentes de alimentación de alto voltaje proporcionan una entrada analógica o una interfaz de comunicación digital que se puede utilizar para controlar el voltaje de salida. Las fuentes de alimentación de alto voltaje se utilizan comúnmente para acelerar y manipular haces de electrones e iones en equipos como generadores de rayos X , microscopios electrónicos y columnas de haz de iones focalizado , y en una variedad de otras aplicaciones, incluyendo electroforesis y electrostática .

Las fuentes de alimentación de alto voltaje suelen aplicar la mayor parte de su energía de entrada a un inversor de potencia , que a su vez acciona un multiplicador de voltaje o un transformador de alto voltaje con una alta relación de espiras, o ambos (generalmente un transformador seguido de un multiplicador) para generar alto voltaje. El alto voltaje sale de la fuente de alimentación a través de un conector especial y también se aplica a un divisor de voltaje que lo convierte en una señal de medición de bajo voltaje compatible con circuitos de bajo voltaje. Esta señal de medición es utilizada por un controlador de lazo cerrado que regula el alto voltaje controlando la potencia de entrada del inversor, y también puede transmitirse fuera de la fuente de alimentación para permitir que circuitos externos monitoreen la salida de alto voltaje.

Una fuente de alimentación bipolar opera en los cuatro cuadrantes del plano cartesiano de voltaje/corriente , lo que significa que generará voltajes y corrientes positivos y negativos según sea necesario para mantener la regulación. ^{[ 4 ]} Cuando su salida se controla mediante una señal analógica de bajo nivel, funciona como un amplificador operacional de ancho de banda reducido con alta potencia de salida y transiciones por cero suaves. Este tipo de fuente de alimentación se utiliza comúnmente para alimentar dispositivos magnéticos en aplicaciones científicas.

Algunas fuentes de alimentación utilizan limitación de corriente en lugar de cortar la alimentación en caso de sobrecarga. Los dos tipos de limitación de corriente empleados son la limitación electrónica y la limitación de impedancia. La primera es común en fuentes de alimentación de laboratorio, mientras que la segunda es común en fuentes con una potencia de salida inferior a 3 vatios.

Un limitador de corriente con función de realimentación reduce la corriente de salida a un valor mucho menor que la corriente máxima en ausencia de fallos.

Una fuente de alimentación moderna para ordenadores es una fuente de alimentación conmutada que convierte la corriente alterna (CA) de la red eléctrica en varios voltajes de corriente continua (CC). Las fuentes de alimentación conmutadas sustituyeron a las lineales debido a las mejoras en coste, peso, eficiencia y tamaño. La amplia gama de voltajes de salida también implica requisitos de consumo de corriente muy variables.

Los vehículos eléctricos son aquellos que dependen de la energía generada mediante electricidad. Una unidad de suministro de energía forma parte del diseño necesario para convertir la energía de la batería de alto voltaje del vehículo.

La soldadura por arco utiliza electricidad para unir metales mediante su fusión. La electricidad la proporciona una fuente de alimentación para soldadura , que puede ser de corriente alterna (CA) o continua (CC) . La soldadura por arco requiere corrientes elevadas, generalmente entre 100 y 350 amperios . Algunos tipos de soldadura pueden utilizar tan solo 10 amperios, mientras que algunas aplicaciones de soldadura por puntos emplean corrientes de hasta 60 000 amperios durante un tiempo extremadamente corto. Las fuentes de alimentación para soldadura consistían en transformadores o motores que accionaban generadores ; los equipos de soldadura modernos utilizan semiconductores y pueden incluir control por microprocesador .

Tanto los sistemas de aviónica comerciales como los militares requieren una fuente de alimentación CC-CC o CA/CC para convertir la energía en voltaje utilizable. Estas suelen funcionar a 400 Hz para reducir el peso.

Esto incluye cintas transportadoras, líneas de montaje, lectores de códigos de barras, cámaras, motores, bombas, fabricación de productos semielaborados y mucho más.

Estos incluyen respiradores, bombas de infusión, instrumental quirúrgico y dental, equipos de diagnóstico por imagen y camas.