Fuentes de Alimentación

La fuente de alimentación es el circuito encargado de proporcionar la energía a los diferentes procesos de un equipo. Debe dotar de las tensiones de polarización adecuadas a cada etapa y es capaz de suministrar la corriente suficiente para que los demás circuitos trabajen adecuadamente. Vamos a estudiar tres tipos de fuentes de alimentación: la fuente de alimentación lineal, la fuente de alimentación conmutada y el convertidor DC/DC.

Fuente de Alimentación Lineal

Principio de Funcionamiento

• Transformación: Adapta el nivel de la señal de red a la tensión necesaria para alimentar el circuito. La entrada y la salida son tensiones alternas. También proporciona aislamiento galvánico como medida de protección ante descargas eléctricas.
• Rectificación: Transforma la señal alterna en otra, cuya corriente no cambia de sentido. La tensión de salida será continua, de tipo pulsatorio.
• Filtrado: Reduce las variaciones de la tensión de salida del rectificador, con un nivel más o menos estable, aunque con rizado.
• Estabilización o Regulación: Se encarga de que la tensión de salida se mantenga en el valor exacto que se necesita. Para ello regula su resistencia interna, de forma que neutralice las fluctuaciones de la tensión de entrada. Su funcionamiento es lineal.

Fuente de Alimentación Conmutada

Principio de Funcionamiento

La tensión que llega de la red eléctrica se rectifica directamente, sin utilizar transformador de entrada. El rectificador, generalmente de doble onda, entrega la señal pulsatoria a un filtro. Estos dos bloques proporcionan una tensión continua de más de 300 V para:

• Obtener los pulsos necesarios para el resto del circuito.
• Alimentar inicialmente al oscilador y el comparador.

El oscilador genera una onda de varias decenas de kilohercios, que se aplican al modulador PWM. El modulador saca por su salida un pulso generado a partir del oscilador, que se aplica al conmutador. El conmutador, casi siempre es un transistor, que se polariza en saturación cuando recibe el pulso del modulador, y se sitúa en corte cuando no recibe señal de excitación.

Técnicas de Regulación en Fuentes Conmutadas

• Variando la frecuencia de la señal: Si aplicamos una señal de frecuencia variable al conmutador, estaremos modificando la cantidad de energía que se inyecta al transformador. Una señal de alta frecuencia tendrá durante poco tiempo el conmutador activado, por lo que la energía transferida al primario será pequeña. Al disminuir la frecuencia aumenta el tiempo de activación, aumentando la energía transferida.
• Variando la duración de los pulsos: Si mantenemos más tiempo el pulso a nivel alto, pasará más corriente, si lo tenemos menos tiempo, disminuirá la corriente. Existen fuentes que combinan las dos técnicas, variando la frecuencia y el tiempo de los pulsos.

Extracción de la Muestra

• Mediante un secundario específico: Se diseña el transformador de modo que tenga un secundario específico para la toma de la muestra. Se tiene una referencia fiel de la energía que circula por el transformador, y al tomar la señal mediante inducción del campo magnético generado por el primario, no existe contacto alguno con el resto de los secundarios.
• Mediante un transformador separador: Si queremos tomar la muestra desde el secundario, podemos colocar un pequeño transformador que transfiera la señal hacia el comparador.
• Mediante un optoacoplador: Toma la muestra desde la salida de la fuente, por lo que será una tensión continua, que se aplica a un led, convirtiendo la señal a luminosa. En el otro lado un fototransistor la convierte de nuevo en eléctrica, que se aplica al comparador.

Convertidores DC/DC

Principio de Funcionamiento

Es una fuente de alimentación conmutada, a la que se le ha suprimido la fuente de alimentación primaria. A partir de la tensión de la batería se alimenta un oscilador, que será modulado para obtener los impulsos de conmutación. Esta modulación estará controlada por la comparación de una muestra de la salida respecto a una tensión de referencia interna. El transformador se encargará de elevar el nivel de la tensión de entrada hasta la que se necesite en los circuitos a los que alimenta. Al no estar conectado a la red, no requiere las precauciones de aislamiento, por lo que se podrá aplicar la muestra de salida directamente al comparador, teniendo todas las tensiones la misma masa de referencia.

Cuando la tensión necesaria en la salida del convertidor es más pequeña que la entrada, el circuito se simplifica más, al eliminarse el transformador y el rectificador, quedando una versión mínima de fuente conmutada. El filtro se convierte en un circuito integrador de pulsos de conmutación. El circuito integrador extrae la tensión eficaz que transportan los pulsos, cuya anchura varía según deba aumentar o disminuir la potencia suministrada en la salida. Habitualmente se utilizan combinaciones de las dos estructuras comentadas, pudiendo encontrar un convertidor con transformador de secundario múltiple para obtener las tensiones más grandes, asociado a varios reguladores conmutados para estabilizar la alimentación de valor más bajo.

Inversor

La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con una magnitud y frecuencia determinada. Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular. Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser sinusoidales.