La Fuente de Alimentación

La fuente de alimentación es un dispositivo que suministrará de energía a todo circuito o aparato electrónico al que sea conectado. Por ser un elemento común a todo dispositivo, vale la pena pararse a analizar los tipos de fuente de alimentación que podemos encontrarnos y de que elementos están constituidos, ya que si conocemos los tipos de fuente de alimentación que existen y los elementos internos de los que están constituidos, tendremos una visión global de estos dispositivos y podremos repararlos o incluso diseñarnos nuestras propias fuentes a medida.

Dentro de la gran variedad de fuentes de alimentación que podemos encontrarnos, podemos hacer dos grandes grupos bien diferenciados entre si, las fuentes de alimentación lineales y las conmutadas. Las fuentes de alimentación lineales tienen un diseño relativamente sencillo, y suelen ser las que se usan para alimentar circuitos con bajas corrientes y cuyas necesidades de regulación energética o eficiencia no son importantes en el diseño. Las fuentes conmutadas en contraposición con las lineales, son mucho más eficientes, pueden gestionar más potencia y su tamaño es más reducido, eso sí, su diseño será más complejo y no será fácilmente realizable por un aficionado a la electrónica.

Fuentes de alimentación lineales

Como he mencionado anteriormente, las fuentes de alimentación lineales tienen un diseño relativamente sencillo, estas fuentes están compuestas básicamente por 4 elementos, un transformador, un rectificador, un filtro y un regulador de tensión.

Transformador: Es el encargado de adaptar los niveles de tensión entre el primario y el secundario, además de proporcionar aislamiento galvánico entre estas dos zonas.

Rectificador: Está compuesto por 4 diodos (pueden ir separados o encapsulados en un mismo elemento), la función de este rectificador es la de convertir la corriente alterna que sale del transformador en una corriente pulsante.

Filtro: El filtro está constituido por uno o varios condensadores (normalmente condensadores polarizados), cuya función es la de suavizar el rizado de la señal que sale del rectificador, quedando una señal prácticamente continua.

Regulador de tensión: En la etapa final se colocará un elemento que asegure que la tensión a la salida va a ser siempre constante, y que no va a superar el valor de tensión para el que ha sido diseñado, esto puede conseguirse de varias maneras, podría colocarse un diodo zener polarizado en inversa que limite dicha tensión a la salida, pero lo mas común es colocar un circuito integrado comercial en cuyo interior tenemos integrados tanto elementos de protección como de regulación de la tensión (según sea el modelo). Este regulador no es más que un sistema de control en lazo cerrado o realimentado, que ajustará una especie de resistencia interna variable para dar siempre una salida constante. Debido a la forma de trabajar de este integrado, parte de la potencia que suministra la disipará en forma de calor, esto hace que este tipo de fuentes sea menos eficiente que las fuentes de alimentación conmutadas, además de tener que colocar a dicho integrado un disipador para que no alcance temperaturas excesivas que dañarían al propio integrado.

En la imagen de la derecha, podemos ver el ejemplo de una fuente de alimentación lineal básica, en esta podemos diferenciar cada uno de los elementos nombrados anteriormente. Como podemos observar, el rectificador ha sido encapsulado en un mismo elemento, aunque es muy común encontrar los 4 diodos que componen este rectificador por separado.

El regulador es un "7805", la familia "78XX" es la más común en cuanto respecta a reguladores de tensión, las dos últimas cifras indicarán el voltaje de salida, que en nuestro caso "7805" será de 5 voltios. También podemos ver que al regulador se le ha colocado un disipador de calor, esto no es necesario, pero si MUY RECOMENDABLE sobre todo cuando trabajamos con corrientes cercanas a los limites de trabajo de nuestro regulador.

Fuentes de alimentación conmutadas

Las fuentes de alimentación conmutadas, son hoy por hoy las fuentes más utilizadas, esto es así, ya que tienen 2 ventajas fundamentales, la primera es que tienen menores perdidas energéticas que las fuentes de alimentación lineales siendo mucho más atractivas por el tema de la eficiencia energética y la segunda ventaja es que para gestionar la misma potencia, el circuito de una fuente de alimentación conmutada, será mucho más compacto que el de una fuente de alimentación lineal, acrecentándose esta diferencia a medida que aumenta la potencia de la fuente de alimentación.

En contraposición hay que decir que las fuentes de alimentación conmutadas son más complejas que las lineales y se necesitarán amplios conocimientos de electrónica para llegar a diseñar una fuente de este tipo. Otro tema que hay que tener en cuenta a la hora de utilizar fuentes de este tipo, son las interferencias electromagnéticas producidas por la oscilación a alta frecuencia del conmutador, el diseño de la fuente conmutada, debe incorporar filtros que eviten que estas interferencias sean inyectadas a la red eléctrica.

Las fuentes de alimentación conmutadas están compuestas normalmente por 5 bloques, rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador y la salida.

Rectificador: El primer rectificador que nos encontramos cogerá la señal alterna de la entrada y la transformará en una señal continua, esto lo hará por medio de un rectificador de media onda o de onda completa (en la figura aparece uno de media onda).

Conmutador: El conmutador estará compuesto por uno o varios transistores mosfet o bipolares (lo normal es que sean mosfet), estos transistores trabajaran en corte-saturación, es decir, darán "todo o nada" (trabajarán como un interruptor normal). El conmutador lo que hará será cerrar y abrir el circuito y dejar pasar o no la corriente que llega del rectificador a través del transformador, esta operación de dejar pasar o no dejar pasar la corriente, normalmente se realiza entre 20KHz y 100KHz, o lo que es lo mismo, entre 20.000 o 100.000 veces por segundo.

Transformador: El transformador tendrá la misma función que en las fuentes de alimentación lineales, su función es la de adaptar los niveles de tensión entre el primario y secundario y aislar galvánicamente las dos partes del circuito. La diferencia con la fuente de alimentación lineal, es que en la fuente conmutada, el transformador va a trabajar con una señal cuadrada en lugar de senoidal y lo va a hacer a frecuencias mucho mayores.

Segundo rectificador: La función del segundo rectificador será la de transformar la señal cuadrada que sale del transformador en una señal totalmente continua y estable.

Salida: En las fuentes de alimentación conmutadas, podemos ver la salida como otra parte más de la fuente, ya que TODAS las fuentes de alimentación conmutadas trabajan en lazo cerrado o con realimentación, pero... ¿qué quiere decir esto?, pues que son fuentes que están constantemente viendo que niveles entregan a su salida y en función de los requerimientos del sistema trabajaran más o menos, y es aquí cuando se introduce el concepto de "Duty Cycle" o ciclo de trabajo.

Duty Cycle: Anteriormente cuando vimos el apartado del conmutador, vimos que este generaba una señal cuadrada, que nos es más que una señal con dos estados, alto (o encendido) y bajo (o apagado), pero... ¿qué pasaría si cambiáramos el tiempo que la señal esta en bajo o en alto?, pues lo que ocurriría es que cambiaríamos el ciclo de trabajo, entregando más o menos potencia a la salida. En la imagen de la derecha, podemos ver diferencias ciclos de trabajo, para cada uno de estos ciclos, la fuente estará trabajando en un régimen diferente, entregando el 10, 30 50 o 90% de la potencia que puede suministrar.

La capacidad de adaptar su salida y auto-regularse, además de ser muy compactas, es lo que hace que las fuentes de alimentación conmutadas se hallan impuesto a las fuentes de alimentación lineales, podemos encontrar ejemplos de fuentes de alimentación conmutadas casi en cualquier aparato comercial, un ejemplo lo tenemos en las fuentes de alimentación que usan los PC's, cuya imagen podemos ver abajo. Como se puede observar el grado de complejidad de estas fuentes es mucho mayor que de las fuentes lineales, pero si tuviéramos que hacer una fuente de las mismas características que la de abajo de forma lineal, nos saldría una fuente enorme a la cual habría que poner grandes disipadores de calor y la cual consumiría un 20 o 30% mas de energía debido a las perdidas.