Explicación de las SMPS: ¿Qué es realmente una fuente de alimentación conmutada?

Garantizar que la alimentación de los dispositivos electrónicos se realiza de forma eficiente es una prioridad absoluta para el mundo en el que vivimos hoy en día debido a su naturaleza compacta. Basta con echar un vistazo a nuestro alrededor: los cargadores de móviles, los adaptadores de portátiles, incluso las fuentes de alimentación de corriente continua internas de televisores y ordenadores son más elegantes, rápidas y eficientes que los voluminosos transformadores del pasado. ¿A qué se debe este cambio? Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). Sin que nos demos cuenta, esta tecnología realiza gran parte del trabajo “pesado” de la electrónica moderna, consiguiendo compacidad y ligereza junto con una eficiencia mejorada en comparación con las fuentes lineales. Pero, ¿qué es exactamente una fuente de alimentación conmutada (SMPS)? ¿Y cómo lo consigue? En este artículo analizaremos por qué la tecnología SMPS se ha convertido en la técnica líder para la conversión de fuentes de alimentación en electrónica, explicando sus conceptos, funcionamiento, componentes y aplicaciones.

Comprender el concepto básico

Una fuente de alimentación conmutada gestiona la potencia eléctrica de entrada de cc como corriente continua mediante conmutación rápida, no disipación continua. Piense en el flujo de agua: una fuente de alimentación lineal es como un grifo de agua totalmente abierto, que permite que el agua se derrame sin control. La presión del agua puede controlarse mediante válvulas que crean fricción y resistencia, gastando energía continuamente en forma de calor. Alternativamente, el agua puede regularse abriendo y cerrando el grifo, que es como funcionaría una fuente de alimentación conmutada. El tiempo de apertura y cierre del grifo determina el caudal medio de agua, por lo que el gasto de energía en la acción de abrir y cerrar el grifo es mínimo. Una fuente de alimentación conmutada, SMPS, consigue una mayor eficiencia energética que las fuentes de alimentación lineales. Su función principal es convertir la energía eléctrica extraída de una fuente de CA bruta o una fuente de CC en una tensión o corriente de salida constante con la carga requerida, haciéndolo sin esfuerzo y sin pérdida de potencia. Las conversiones mejoradas minimizan la generación de calor y permiten un mayor control de regulación sobre la potencia de salida.

SMPS frente a fuentes de alimentación lineales: La comparación

Para comprender plenamente el valor de una fuente de alimentación conmutada, es útil conocer su principal alternativa, y su predecesora: la fuente de alimentación lineal. La simplicidad de la fuente de alimentación lineal en su tensión de salida limpia facilita el diseño de fuentes de alimentación. Sin embargo, su principio operativo incurre en graves limitaciones en numerosas aplicaciones modernas. Se hará una comparación basada en características clave.

Eficiencia y disipación de energía

Las fuentes de alimentación lineales consiguen regular la tensión dejando caer el exceso de tensión a través de un componente de paso en serie, como un transistor. Esta energía se transforma en calor, lo que provoca la pérdida de potencia y la generación de calor. Además, esto empeora cuando la tensión de entrada y la de salida tienen una gran diferencia, o cuando hay un consumo de corriente elevado. Además, un regulador lineal sólo puede dar una eficiencia de 40-60%, que es notablemente baja.

Por otro lado, las fuentes de alimentación conmutadas utilizan casi exclusivamente componentes que funcionan cuando están totalmente en ON u OFF. Esto minimiza la pérdida de potencia y, por tanto, mejora enormemente la eficiencia, que a menudo supera los 85-95% en los diseños prácticos. Esto reduce en gran medida la energía desperdiciada y aumenta aún más la eficacia de los disipadores térmicos más pequeños, lo que contribuye a reducir la temperatura.

Tamaño, peso y coste

La generación de calor de las SMPS es menor que la de las fuentes de alimentación lineales con una potencia de salida equivalente. También requieren disipadores más pequeños. Y lo que es más importante, las SMPS trabajan a frecuencias más altas que la línea de alimentación (50/60 Hz). En ocasiones, las SMPS trabajan a cientos de kilohercios o incluso megahercios. Así, las SMPS pueden emplear transformadores y componentes de filtrado más pequeños (los condensadores necesitan inductores) porque el tamaño del transformador y también de otras piezas magnéticas es inversamente proporcional a la frecuencia de funcionamiento. Esto contribuye a reducir enormemente el tamaño y el peso de las fuentes de alimentación, lo que se traduce en el pequeño tamaño que se observa en las fuentes de alimentación electrónicas contemporáneas. Aunque el número de componentes en una SMPS suele ser mayor, el gasto de grandes componentes fabricados en masa en la producción de alto volumen, más simple requieren enormes transformadores y disipadores de calor, y SMPS se convierten en fuentes de alimentación lineales cuando stooping a altos niveles de potencia de salida. El uso de núcleos de hierro pesados suele ser necesario en un transformador de alimentación lineal 50/60Hz y aumenta el peso.

Ruido, ondulación y complejidad

En lo que respecta a la eficiencia de las fuentes de alimentación, su funcionamiento continuo produce una tensión de rizado de salida de muy bajo ruido y una EMI mínima en comparación con sus homólogas lineales. En esta categoría de fuentes de alimentación conmutadas, su naturaleza da lugar a la generación de pulsos de tensión y corriente que, a su vez, provocan una mayor tensión de ondulación de salida y una EMI significativa. En un intento de resolver estos problemas, el diseñador debe añadir circuitos de suavizado más intrincados que aumentan aún más la complejidad de la fuente de alimentación. Con las fuentes de alimentación conmutadas, también existe la necesidad de un intrincado filtrado y blindaje que agrava la complejidad presentada por el suavizado de la fuente de alimentación. A diferencia de las fuentes de alimentación lineales básicas que se basan en circuitos simples, las SMPS de control más avanzadas requieren circuitos intrincados, a menudo hechos de circuitos integrados especializados.

Cómo funcionan las fuentes de alimentación conmutadas: Guía simplificada

Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) tienen características distintas para los componentes de conversión y regulación de potencia, aunque racionalizan los sistemas más que los convertidores lineales. Para ver los procesos esenciales como pasos, considere el siguiente esquema:

Paso 1: Entrada y rectificación

Las entradas de CA se caracterizan por un nivel de tensión determinado. Esta tensión se modifica primero mediante diodos para transformarla de CA a CC, o lo que es lo mismo, rectificarla. La salida es en forma de CC pulsante que un condensador de filtro se encarga de calmar, aunque sigue siendo inestable y susceptible de fluctuaciones mientras cambie la entrada de CA. En algunos diseños modernos, la rectificación se produce cuando se suministra CA y no se necesita transformador.

Paso 2: Conmutación mediante PWM

El SMPS utiliza un conmutador de alta velocidad como componente básico de los sistemas de modulación por ancho de pulsos (PWM). El ciclo de trabajo determina la proporción entre el tiempo de conexión y el tiempo total del interruptor de alta velocidad. La entrada de CC se aplica al interruptor para que la SMPS pueda emitir pulsos de tensión. La fuente de alimentación conmutada (SMPS) se denomina así para distinguir el tipo específico de fuente de alimentación de CC, que aplica alta frecuencia con transistores MOSFET. La característica clave de la implementación de la SMPS es la aplicación del control de modulación por ancho de pulsos.

Paso 3: Transferencia y almacenamiento de energía

Los impulsos de energía de baja tensión se envían a un dispositivo de almacenamiento de energía -en la mayoría de los casos, un inductor o un transformador-. Cuando se cierra el interruptor, el campo magnético capta cierta cantidad de energía. Los transformadores también ayudan a aumentar o disminuir el nivel de tensión, manteniendo el aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida.

Paso 4: Rectificación y filtrado de la salida

La salida del dispositivo de almacenamiento de energía aún requiere procesamiento para convertirla en una tensión de corriente continua (CC) suave y estable. Los impulsos se rectifican mediante diodos de conmutación de alta velocidad (diodos Schottky), mientras que los condensadores eliminan las oscilaciones restantes. La salida es ahora una tensión continua estable y utilizable.

Paso 5: El bucle de control de realimentación

La tensión de salida se controla constantemente y se compara con una predeterminada. En caso de diferencia, el control PWM modifica el tiempo de conexión del interruptor para mantener la salida. Esto se hace como un termostato que controla la temperatura de una habitación: la tensión de salida sigue los distintos cambios en la entrada o la carga sin esfuerzo constante.

Componentes clave de un SMPS

Comprender el papel de los principales componentes ayuda a desmitificar el fuente de alimentación electrónica:

• Transistor de conmutación (MOSFET/BJT): El corazón de la acción de conmutación, que conecta y desconecta rápidamente la corriente bajo la orden del controlador.
• Controlador IC: Un circuito integrado especializado que genera la señal PWM basándose en la realimentación, gestionando el transistor de conmutación y consiguiendo regulación de tensión.
• Transformador o inductor: Elemento de almacenamiento y transferencia de energía. Transformador de potencias proporcionan aislamiento y escalado de tensión, los inductores almacenan energía en diseños no aislados, a menudo utilizando un núcleo de hierro a altas frecuencias.
• Diodos rectificadores: Convertir pulsos de CA en corriente continua después de la etapa de conmutación/transformador. Se utilizan diodos Schottky o de recuperación rápida para manejar altas frecuencias de conmutación.
• Condensadores de filtro: Los condensadores de gran tamaño (entrada y salida) suavizan las tensiones de CC oscilantes. Los condensadores de salida son esenciales para reducir el rizado de salida y forman parte del circuito de suavizado.
• Inductores de filtro: Se utiliza junto con condensadores en filtros de salida para suavizar aún más el tensión continua.

Topologías comunes de SMPS

Aunque los pasos básicos son similares, fuente de alimentación conmutada Los circuitos pueden configurarse de varias formas, conocidas como topologías, cada una de ellas adaptada a diferentes aplicaciones, relaciones de conversión de tensión, y potencia de salida niveles. Son como diferentes herramientas diseñadas para tareas específicas.

Topologías no aisladas

Estas topologías carecen de aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida, lo que significa que la salida y la entrada comparten la misma referencia de tierra. Sus diseños de fuente de alimentación suelen ser más sencillos y rentables.

• Convertidor Buck (Step-Down): Reduce una tensión continua más alta en una tensión continua más baja. Funciona como un transformador de tensión continua, aunque de forma mucho más eficiente.
• Convertidor Boost (Step-Up): Incrementa una tensión continua baja en una más alta. Es útil cuando la tensión de la fuente disponible no es suficiente.
• Convertidor Buck-Boost: Puede generar una tensión de salida superior o inferior a la entrada con una polaridad de salida invertida respecto a la entrada.

Topologías aisladas

Estas topologías utilizan un transformador de potencia para proporcionar aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida, ofreciendo ventajas de seguridad y la capacidad de crear múltiples tensiones de salida con diferentes características actuales.

• Convertidor Flyback: Se trata de una de las topologías aisladas más sencillas, habitual en aplicaciones de potencia de salida baja o media (como cargadores de teléfonos móviles o alimentación en espera de televisores). Cuando el interruptor está en ON, la energía se almacena en el núcleo del transformador y cuando está en OFF, la energía se transfiere a la salida.
• Convertidor Forward: Transfiere energía a la salida durante el tiempo de conexión. Es menos sencillo que el Flyback pero puede ser más eficiente en niveles de Potencia de Salida más elevados.
• Convertidores de medio puente y puente completo: Para aplicaciones de mayor potencia de salida, estas topologías incorporan varios transistores de conmutación conectados entre sí en forma de puente en el lado primario del transformador.

Ventajas y desventajas de las SMPS

Basándonos en nuestra comparación y explicación, podemos resumir los principales compromisos para fuentes de alimentación:

Ventajas:

• Alta eficacia: El funcionamiento a un rendimiento máximo reduce en gran medida el derroche de energía térmica.
• Tamaño compacto y bajo peso: Su mayor compacidad aporta un valor añadido en aplicaciones portátiles y sensibles al peso.
• Amplio rango de tensión de entrada: Algunos diseños son compatibles con una amplia gama de tensiones de CA y entradas de CC (por ejemplo, entrada de alimentación de CA universal).
• Rentable: A menudo más económicos que sus homólogos lineales por su gran potencia de salida y tamaño físico.
• Puede subir o bajar: Proporciona una alteración versátil de la tensión (incluido el aislamiento) con una tensión de salida mantenida con precisión.

Desventajas:

• Mayor complejidad: Necesidad de más piezas y configuración complicada de la fuente de alimentación.
• Ruido eléctrico (EMI/RFI): Los circuitos de potencia producen cierto grado de ruido relacionado con la conmutación que es necesario filtrar mediante un complicado circuito de suavizado.
• Ondulación de salida: Las variaciones de la tensión de salida requieren una instrumentación meticulosa para limitar las oscilaciones definibles y las salidas de bajo ruido.
• Respuesta transitoria: A diferencia de las fuentes de alimentación lineales, la velocidad a la que algunas de estas fuentes responderían a los cambios de carga puede no ser instantánea.
• Requisito de carga mínima: Ciertas topologías no funcionarán correctamente si no se aplica una carga que cumpla un valor mínimo de regulación.

¿Dónde se utilizan las SMPS? (Aplicaciones)

Las ventajas de una fuente de alimentación conmutada parecen ampliar su uso en la electrónica moderna. Puede encontrar estas fuentes de alimentación conmutadas en:

• Equipos industriales: PLC, accionamientos de motores, sistemas de control, equipos de prueba y medición, que necesitan fuentes de alimentación de CC fiables.
• Electrónica de consumo: Ordenadores (de sobremesa, portátiles), televisores, videoconsolas, cargadores (de móviles), sistemas de audio.
• Iluminación LED: Transformación eficaz de la corriente alterna en la tensión y corriente continua precisas para los LED.
• Telecomunicaciones: Alimentación de estaciones base, conmutadores de red, módems y teléfonos.
• Equipos médicos: Donde la miniaturización, la eficiencia y los requisitos específicos de aislamiento son cruciales.

SMPS en la automatización industrial: Por qué importa la calidad (OMCH Value)

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Conclusión

En resumen, la fuente de alimentación conmutada o SMPS es una tecnología avanzada con muchas aplicaciones en la electrónica moderna. Su capacidad para conmutar a un ritmo rápido la hace más eficiente que las fuentes de alimentación lineales tradicionales, contribuyendo además al pequeño tamaño y peso ligero que requieren los dispositivos que utilizamos a diario. La complejidad adicional del diseño de la fuente de alimentación y la gestión del ruido necesaria para lograr un bajo nivel de ruido y ondulación de salida la hace más difícil. Pero las ventajas superan con creces a los inconvenientes. Las SMPS destacan sobre todo como la respuesta fiable a la conversión eficiente de fuentes de alimentación electrónicas, desde la electrónica de consumo hasta los sistemas industriales críticos que dependen de una alimentación de CC estable. Comprender la funcionalidad revela la sofisticada ingeniería que alimenta el mundo, ejemplificando la importancia de utilizar componentes de calidad, especialmente en escenarios de aplicación desafiantes donde la fiabilidad es una necesidad, no una opción.