Fuentes conmutadas „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Las fuentes conmutadas prácticamente han suplantado en el mercado a las fuentes de alimentación lineales convencionales y actualmente representan el más popular y más grande grupo de fuentes de alimentación. Sus ventajas respecto a las fuentes de alimentación lineales incluyen pequeño tamaño, peso ligero, alta eficiencia y rendimiento, así como un buen precio. La desventaja es el nivel de complejidad de la construcción, así como un mayor nivel de interferencias generadas por la fuente de alimentación y aumento del nivel de interferencias de salida.

Principio de funcionamiento de una fuente conmutada 

Las fuentes conmutadas utilizan la modulación por ancho de pulsos PWM (Pulse Width Modulation), es decir, la tensión de salida de la fuente de alimentación se regula cambiando el factor de duración del impulso a una frecuencia constante y sin cambios.

La reducción de la duración del pulso (t1) resulta en una disminución del valor medio de la tensión de salida (U_out) y viceversa: el aumento de la duración del pulso (t1) determina un aumento del valor medio de la tensión de salida (U_out). Esto se puede ver en los gráficos arriba:

El valor medio de la tensión de salida se puede calcular fácilmente utilizando la siguiente fórmula:

La tensión alterna de red, por ejemplo de 230 V (1), pasa a través del filtro de entrada con elementos LC (3). Este es un elemento importante que protege la red eléctrica contra interferencias que surgen en la fuente de alimentación y protege la fuente de alimentación contra interferencias procedentes de la red eléctrica. La tensión alterna se rectifica por medio de un puente rectificador (4) y, después de la rectificación, la tensión continua llega al transformador (8) que es modulado por un transistor (5), a veces llamado conmutador. El transistor enciende y apaga la corriente de forma de onda rectangular con una frecuencia definida (la cual es posible en el rango de 20 kHz a varios cientos de kHz e incluso MHz) utilizando la modulación por ancho de pulsos PWM. El transistor se controla por medio del circuito de retroalimentación (6, 7) compuesto por un optoacoplador y controlador (driver) PWM. El sistema comprueba cuál es la tensión de salida y, dependiendo de si ella aumenta o disminuye, cambia el ancho del pulso (duración) controlando el transistor y ajustando de manera que la tensión de salida sea siempre constante. Este sistema, controlando la tensión de salida, funciona a alta velocidad, lo que permite mantener la tensión de salida constante y, en la medida en que aumenta o disminuye, corregir inmediatamente las variaciones al fin de mantenerla en el mismo nivel. La tensión rectangular en la salida del transformador (8) se rectifica (9) y luego pasa a través del filtro de salida (10) que debe “bloquear” las armónicas superiores y las interferencias generadas por el funcionamiento del convertidor. En la salida (11) de la fuente conmutada se obtiene la tensión continua estabilizada.

Algunas sugerencias con respecto a los parámetros que se deben tomar en cuenta al elegir la fuente conmutada. 

Tensión de entrada (Input Voltage) 

En Polonia y la Unión Europea la tensión de la red eléctrica es de 230 V AC (excepto el Reino Unido - 240 V AC). Las normas permiten una desviación del 10%, es decir, la tensión de red puede variar de 207 V a 253 V AC. Por lo tanto, es aconsejable elegir una fuente de alimentación con una amplia gama de tensión de entrada, por ejemplo 100-264 V AC.

Corriente de arranque (Max Inrush Current) 

Después de encender la fuente de alimentación se produce un gran impulso de corriente que puede alcanzar altos valores, dependiendo de la potencia de la fuente de alimentación, del orden de varias decenas de amperios, que dura hasta 1 período, es decir, hasta 20 ms a una frecuencia de 50 Hz AC. Este fenómeno es causado por la carga de los condensadores de entrada. Esto puede crear un problema, por ejemplo, al encender más alimentadores al mismo tiempo o al usar una fuente de alimentación con mayor potencia. Una gran corriente de entrada puede provocar la activación de las protecciones en la red eléctrica (fusibles, disyuntores de circuito, etc.). La solución a esta situación es sustituir los fusibles de sobrecorriente con el tipo C o D.

Eficiencia (Efficiency) 

Esta es la relación de la potencia de salida de la corriente continua (entregada por la fuente de alimentación) y la potencia de entrada de la corriente alterna (consumida de la red eléctrica), expresada como un porcentaje.

La eficiencia se marca con la letra del alfabeto griego “eta”: η. En cualquier dispositivo que convierte la energía una parte de potencia consumida se pierde y, por esto, la eficiencia permite estimar la pérdida de potencia. Hay que prestar atención a este parámetro, ya que a mayor eficiencia, menos energía se pierde, con la consiguiente disminución de la temperatura dentro de la fuente de alimentación, y por lo tanto una mayor fiabilidad y durabilidad del dispositivo. Las fuentes de alimentación actualmente fabricadas alcanzan la eficiencia > 90% (las fuentes de alimentación con transformador/fuentes de alimentación lineales tienen una baja eficiencia energética, no más del 50%).

Ejemplo 1.
Tenemos una fuente de alimentación con una potencia de salida de 100 W que consume 117,6 W de la red eléctrica. Vamos a calcular su eficiencia.

En la mayoría de los casos, las especificaciones de la fuente de alimentación indican la potencia de salida y eficiencia. Los fabricantes no especifican la cantidad de energía consumida por la fuente de alimentación. Esto se puede calcular fácilmente sustituyendo los valores en la fórmula convertida.

Ejemplo 2.
Tenemos una fuente de alimentación con una potencia de salida de 150 W y eficiencia del 86%. Vamos a calcular cuánta energía se consume de la red eléctrica.

También se puede calcular fácilmente la cantidad de energía que se pierde en forma de calor en esta fuente de alimentación (P_d – pérdida de potencia) aplicando una fórmula sencilla (restamos la potencia entregada de la potencia consumida).

En este caso, 24,4 W se pierde en forma de calor, por supuesto, a plena carga. El valor de 24,4 W aumenta la temperatura dentro de la carcasa y calienta los componentes internos.

MTBF - tiempo medio entre averías (Mean Time Between Failure) 

Se expresa en horas y esta información se refiere a la fiabilidad del dispositivo.

Muy a menudo este parámetro no se interpreta correctamente. Por ejemplo, el MTBF de la fuente de alimentación es de 700 000 horas, es decir, casi 80 años. Esto no significa que la fuente de alimentación funcionará perfectamente durante todo este tiempo.

Los modos y métodos de cálculo del MTBF se introdujeron por el ejército de Estados Unidos en 1965 con la publicación del modelo MIL-HDBK-217. Contenía la frecuencia de fallas para varios componentes electrónicos, tales como condensadores, resistencias, transistores. En este modelo, se publicaron los métodos de cálculo de la tasa de fallas. El objetivo era estandarizar los métodos de evaluación de la fiabilidad de los dispositivos electrónicos y equipos militares.

Además del modelo MIL-HDBK-217, también se utilizan otros métodos de cálculo del parámetro MTBF que se pueden encontrar en las especificaciones técnicas de los dispositivos electrónicos. Todos los modelos tienen diferentes algoritmos para el cálculo de la fiabilidad. Ejemplos de métodos: HRD5, Telcordia, RBD, modelo de Márkov, FMEA/FMECA, árbol de fallas, HALT.

Conociendo el tiempo medio entre fallas, podemos calcular la probabilidad de falla del equipo antes de que expire el tiempo MTBF. Esta información es muy útil, ya que permite evaluar la tasa de fallas del sistema. En general, el principio es simple: cuanto mayor sea el MTBF, más fiable será el dispositivo.

Recordemos que MTBF siempre indica el tiempo después del cual la fiabilidad del dispositivo se reduce al 36,8%. 

En palabras: 2,718 elevado a la potencia negativa del tiempo de funcionamiento dividido por MTBF.

Vamos a calcular la tasa de fallas del equipo cuyo MTBF es de 50 000 horas tras 50 000 horas.

Por lo tanto el dispositivo con MTBF = 50 000 horas tiene una fiabilidad de 36,8% tras 50 000 horas. En otras palabras, tras 50 000 horas es probable que por cada 100 equipos ~37 serán eficientes, y 63 de ellos fallarán.

Por ejemplo, vamos a ver la probabilidad de falla en 3 años para dos fuentes de alimentación con MTBF diferente.

1. MTBF = 50 000 horas, 3 años = 3 años x 24 horas x 365 días = 26 280 horas, y sustituimos en la siguiente fórmula:

Este resultado muestra la probabilidad de que tras 3 años el 59,1% de fuentes de alimentación funcionarán sin ningún problema (por ejemplo, por cada 100 equipos ~59 serán eficientes, y 41 de ellos fallarán).

2. MTBF = 700 000 horas, 3 años = 3 años x 24 horas x 365 días = 26 280 horas, y sustituimos en la siguiente fórmula:

Este caso muestra la probabilidad de que tras 3 años el 97,1% de fuentes de alimentación funcionarán sin ningún problema (por ejemplo, por cada 100 equipos ~97 serán eficientes, y 3 de ellos fallarán).

En la mayoría de los casos, el parámetro MTBF se especifica por el fabricante con respecto al funcionamiento del dispositivo a una temperatura ambiente de 25°C. Cuando se opera a temperaturas más altas, un aumento de la temperatura ambiente de 10°C reduce dos veces el valor de MTBF. ¿Por qué algunos dispositivos tienen un MTBF alto y otros un MTBF bajo? Las diferencias se deben a la calidad de los componentes utilizados y al nivel de complejidad del equipo. No todos los fabricantes indican este parámetro en las especificaciones técnicas.

Tensión de salida (Output Voltage) 

La tensión de salida es la tensión que debe estabilizarse con variaciones de la carga de la fuente de alimentación de 0 a 100%. Hay que tener en cuenta que en todas las fuentes de alimentación, el ruido, rizado e interferencias se superponen a la tensión continua de salida. Ellos pueden tener una amplitud de hasta varios cientos de mVp-p. A veces el valor demasiado grande del rizado de la tensión de salida puede causar problemas si el dispositivo alimentado es vulnerable al rizado, por ejemplo, interferencias en la imagen de la cámara en aplicaciones de CCTV o reinicios frecuentes de cualquier dispositivo electrónico.

La siguiente captura de pantalla muestra un oscilograma de rizado de la tensión de una fuente conmutada de 12 V.

Respuesta dinámica (Dynamic Response) 

Cada fuente de alimentación debe proporcionarle a la carga la tensión de salida de valor constante que no varía con el cambio de la corriente de carga. Sin embargo, a veces se producen unos cambios bruscos de la carga (por ejemplo, encendido/apagado del iluminador de infrarrojos en una cámara de CCTV o encendido/apagado de la carga adicional). Al variar la carga de 0 a 100% (o viceversa) aparecen las interferencias y fluctuaciones de la tensión de salida que pueden afectar el funcionamiento de otros dispositivos conectados a la fuente de alimentación.

La mayoría de las fuentes conmutadas cuentan con sistemas de protección de la salida contra cortocircuitos y sobrecargas. Ya que se utilizan diferentes métodos de protección, es necesario seleccionar adecuadamente la fuente de alimentación para el tipo de carga. Los motores, bombillas, cargas de alta capacidad, inductancia, etc., es decir, las denominadas cargas con características no lineales pueden requerir un gran impulso de corriente en el arranque, considerablemente mayor que la máxima corriente nominal de la fuente de alimentación. Esto puede causar la activación de las protecciones e impedir el encendido de la fuente de alimentación. Puede suceder en la práctica que la fuente de alimentación, por ejemplo de 12 V 50 W, no será capaz de encenderse, una vez conectada la carga de 12 V 30 W (por ejemplo, una bombilla, motor).

Los diseñadores de fuentes de alimentación utilizan diferentes métodos de protección contra cortocircuitos y sobrecargas. Las protecciones deben proteger la fuente de alimentación y la carga. A continuación se describen las más comunes.

Modo de hipo (Hiccup mode) 

Esta es una protección utilizada muy a menudo (inglés hiccup – hipo) cuya ventaja son las bajas pérdidas de potencia de las fuentes de alimentación en caso de sobrecarga o cortocircuito y retorno automático a la operación normal después del cese de la causa de un cortocircuito o sobrecarga.

En el tiempo A se produce una sobrecarga o cortocircuito. Se desconecta la alimentación. En la salida se produce un impulso de corriente de muy corta duración (por ejemplo, 100 ms) y un valor de hasta el 150% de la corriente máxima. La fuente de alimentación envía este impulso cada pocos segundos hasta que cese la causa de la sobrecarga o un cortocircuito (B), luego pasa al modo de funcionamiento normal. En la mayoría de los casos, el umbral de activación de esta protección (apagado de la fuente de alimentación) está ajustado a 110–150% de la corriente nominal (I_out). Muy a menudo este modo se integra con la protección térmica. Si la carga consume más corriente que la corriente nominal, pero por debajo del umbral de activación de la protección, después de un corto período de tiempo se activa la protección térmica, desconectando la alimentación, y la fuente de alimentación pasa al modo hiccup hasta que cese la causa de la sobrecarga.

Curva A – limitación de la corriente (Foldback Current Limiting)
Este tipo de protección también se utiliza en las fuentes de alimentación lineales. El exceso de la corriente máxima (reducción de la resistencia de carga) es seguido de su reducción (disminución). En otras palabras, si la resistencia de carga disminuye, se reduce la corriente. La ventaja de esta solución es la baja pérdida de potencia de la fuente de alimentación en caso de sobrecarga o cortocircuito. Sin embargo, con esta solución, la fuente de alimentación no se enciende a una carga con una alta corriente de arranque (por ejemplo, gran capacidad).

Curva B – estabilización de la corriente (Constant Current Limiting)
Después de exceder la corriente máxima (disminución de la resistencia de carga), la fuente de alimentación mantiene la corriente de salida constante, independientemente del valor de sobrecarga, mientras que disminuye la tensión de salida. A menudo se utiliza también la segunda protección que desactiva la fuente de alimentación cuando la tensión cae a unos pocos voltios. Un gran inconveniente de este método es la gran pérdida de potencia en la fuente de alimentación y una gran corriente que fluye a través de la carga y puede causar daños. Este tipo de protección se utiliza para encender la fuente de alimentación a las cargas de características no lineales.

Curva C – limitación de la potencia (Over Power Limiting)
Después de exceder la corriente máxima (reducción de la resistencia de carga), la potencia de salida de la fuente de alimentación se mantiene constante. Con el aumento de la carga, la tensión y la corriente de salida caen de acuerdo con las características C. Este tipo de protección se utiliza para encender la fuente de alimentación a las cargas de características no lineales.

Temperatura de funcionamiento (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Dependiendo de la eficiencia de la fuente de alimentación, una parte de la energía entregada a la fuente de alimentación se pierde en forma de calor, la temperatura dentro de la fuente de alimentación aumenta con respecto a la temperatura externa. Las fuentes de alimentación de alta calidad que operan a la temperatura de 25°C pueden calentarse hasta 50–70°C. A la temperatura ambiente de 50°C pueden calentarse hasta 75–95°C.

Es muy importante tener en cuenta que la temperatura de trabajo afecta directamente la vida útil del dispositivo y su fiabilidad. Las fuentes conmutadas tienen una estructura compleja y se componen de un gran número de componentes electrónicos que se pueden colocar cerca uno del otro dentro de la carcasa de la fuente de alimentación. Una temperatura interna demasiado alta puede causar daños a la fuente de alimentación y reducir considerablemente su vida útil. Cabe señalar que existe una fuerte dependencia entre la potencia de salida y la temperatura. Es imperativo evitar la operación de la fuente de alimentación a temperaturas superiores a 50°C, incluso si los fabricantes a menudo indican la temperatura de funcionamiento superior a este valor. En este caso, hay que leer atentamente la documentación técnica.

Como se muestra en la figura, la fuente de alimentación puede suministrar la potencia total a la carga, pero sólo hasta una temperatura de 50°C. Cuando se trabaja a una temperatura de 70°C, el equipo puede cargarse a 50%, es decir, la mitad de la corriente máxima.

Los condensadores electrolíticos son los componentes más sensibles al aumento de la temperatura. En la práctica, todas las fuentes de alimentación contienen unas pocas unidades de dichos condensadores. Los fabricantes de condensadores indican un parámetro fundamental, es decir, la vida útil para la temperatura máxima. Al reducir la temperatura de 10°C se duplica la vida útil del condensador electrolítico. Por ejemplo, los condensadores electrolíticos estándar tienen una vida útil de 1000 horas a 105°C.

Esto es:

Estas duraciones no significan el final de la vida útil del condensador, sino el tiempo tras el cual se produce un deterioro significativo de sus parámetros (capacidad, resistencia en serie, etc.), lo que muy a menudo conduce a la falla.

Como se puede apreciar en el ejemplo anterior, la temperatura más baja = mayor vida útil. Hay condensadores con una vida útil varias veces mayor, sin embargo, esto se traduce en un precio más alto. Es el fabricante quien decide qué componentes se van a utilizar. En las fuentes de alimentación baratas no se utilizan componentes caros con una vida útil mayor.