Fuentes de alimentación con transformadores y conmutadas.
Fuentes de alimentación por transformador
La fuente de alimentación clásica es una fuente de alimentación por transformador.
En general, en este caso consta de un transformador reductor o autotransformador, cuyo devanado primario está diseñado para tensión de red.
Luego se instala un rectificador que convierte la tensión alterna en tensión continua (pulsante unidireccional).
En la mayoría de los casos, el rectificador consta de un diodo (rectificador de media onda) o cuatro diodos que forman un puente de diodos (rectificador de onda completa).
A veces se utilizan otros circuitos, por ejemplo, en voltaje rectificadores duplicadores. Después del rectificador, se instala un filtro que suaviza las oscilaciones (pulsaciones). Por lo general, es simplemente un condensador de alta capacidad.
También se pueden instalar en el circuito filtros para interferencias de alta frecuencia, sobretensiones, protección contra cortocircuitos y estabilizadores de voltaje y corriente.
Esquema de la fuente de alimentación de transformador más simple con un rectificador de onda completa
Dimensiones del transformador
Existe una fórmula que se puede derivar fácilmente de las leyes básicas de la ingeniería eléctrica (e incluso de las ecuaciones de Maxwell):
( 1/n ) ~ f * S * B
donde n — el número de vueltas por 1 voltio (en el lado izquierdo de la fórmula está la FEM de una vuelta, que es la derivada del flujo magnético según la ecuación de Maxwell, el flujo es algo en la forma sin ( f * t), en la derivada f se quita de paréntesis), f — Frecuencia de voltaje CA, S — área de la sección transversal del circuito magnético, B — la inducción del campo magnético en él.
La fórmula describe la amplitud B, y no el valor instantáneo.
El valor de B en la práctica está limitado desde arriba por la aparición de histéresis en el núcleo, lo que provoca pérdidas debido a la inversión de la magnetización y al sobrecalentamiento del transformador.
Si asumimos que f es la frecuencia de la red ( 50 Hz), entonces los únicos dos parámetros disponibles para selección son el diseño del transformador, están S y n. En la práctica se acepta la heurística n = (de 55 a 70)/S en cm2.
Un aumento de S significa un aumento de las dimensiones y peso del transformador.
Si sigue el camino de disminución de S, esto significa un aumento en n, lo que en un transformador pequeño significa una disminución en la sección transversal del cable (de lo contrario, el devanado no encajará en el núcleo).
Un aumento en n y una disminución en la sección transversal significa un fuerte aumento en la resistencia activa del devanado.
En transformadores de baja potencia, donde la corriente a través del devanado es pequeña, esto puede debe descuidarse, pero al aumentar la potencia, la corriente a través del devanado aumenta y, con una alta resistencia del devanado, disipa una importante potencia térmica, lo cual es inaceptable.
Las consideraciones enumeradas anteriormente llevan al hecho de que a una frecuencia de 50 Hz, un transformador de alta potencia (decenas de vatios) solo se puede implementar con éxito como un dispositivo de gran tamaño y peso (aumentando S y la sección transversal del cable con disminuyendo n).
Es por eso que las fuentes de alimentación modernas siguen un camino diferente, es decir, el camino del aumento de f, es decir. transición a fuentes de alimentación conmutadas.
Estas fuentes de alimentación son muchas veces más ligeras (y la mayor parte del peso recae sobre la jaula protectora) y son significativamente más pequeñas que las clásicas.
Además, no exigen voltaje ni frecuencia de entrada.
Ventajas de las fuentes de alimentación con transformador
- Simplicidad de diseño
- Fiabilidad
- Disponibilidad de la base del elemento
- Ausencia de interferencias de radio generadas (a diferencia de la interferencia pulsada, que crea interferencias debido a componentes armónicos)
- Desventajas de fuentes de alimentación con transformador
- Gran peso y dimensiones, especialmente a alta potencia
- Intensidad del metal
- Un equilibrio entre eficiencia reducida y estabilidad del voltaje de salida: para garantizar un voltaje estable, se requiere un estabilizador, que introduce pérdidas adicionales.
Fuentes de alimentación conmutadas
Las fuentes de alimentación conmutadas son un sistema inversor. En las fuentes de alimentación conmutadas, primero se rectifica el voltaje de entrada de CA.
La tensión continua resultante se convierte en pulsos rectangulares de mayor frecuencia y un cierto ciclo de trabajo, ya sea suministrados a un transformador (en el caso de fuentes de alimentación pulsadas con aislamiento galvánico de la red de suministro) o directamente al filtro de paso bajo de salida (en fuentes de alimentación pulsadas sin aislamiento galvánico).
En las fuentes de alimentación pulsadas se pueden utilizar transformadores de pequeño tamaño; esto se explica por el hecho de que a medida que aumenta la frecuencia, aumenta la eficiencia del transformador y aumentan los requisitos para el Se reducen las dimensiones (sección) del núcleo necesarias para transmitir potencia equivalente.
En la mayoría de los casos, un núcleo de este tipo puede estar fabricado de materiales ferromagnéticos, a diferencia de los núcleos de los transformadores de baja frecuencia, para los que se utiliza acero eléctrico.
En las fuentes de alimentación conmutadas, la estabilización de la tensión se garantiza mediante retroalimentación negativa.
La retroalimentación le permite mantener el voltaje de salida a un nivel relativamente constante, independientemente de las fluctuaciones en el voltaje de entrada y el tamaño de la carga. Los comentarios se pueden organizar de diferentes maneras.
En el caso de fuentes pulsadas con aislamiento galvánico de la red de suministro, los métodos más habituales son utilizar la comunicación a través de uno de los devanados de salida del transformador o mediante un optoacoplador.
Dependiendo de la magnitud de la realimentación señal (dependiendo del voltaje de salida), el ciclo de trabajo cambia los pulsos en la salida del controlador PWM.
Si no se requiere desacoplamiento, entonces, como regla general, se utiliza un divisor de voltaje resistivo simple. De este modo, la fuente de alimentación mantiene un voltaje de salida estable.
Diagrama esquemático de la fuente de alimentación conmutada de ciclo único más simple
Ventajas de cambiar las fuentes de alimentación
- Comparables en potencia de salida con los estabilizadores lineales, los estabilizadores de conmutación correspondientes tienen las siguientes ventajas principales:
- menos peso debido a que al aumentar la frecuencia es posible utilizar transformadores más pequeños con la misma potencia transmitida. La masa de estabilizadores lineales se compone principalmente de potentes y pesados transformadores de potencia de baja frecuencia y potentes radiadores de elementos de potencia que funcionan en modo lineal;
- Eficiencia significativamente mayor (hasta 90-98%) debido al hecho de que las principales pérdidas en los estabilizadores de conmutación están asociadas con procesos transitorios en el momento de cambiar el elemento clave. Dado que la mayor parte del tiempo los elementos clave se encuentran en uno de los estados estables (es decir, encendidos o apagados), las pérdidas de energía son mínimas;
- menor costo, gracias a la producción en masa de una base de elementos unificada y al desarrollo de transistores clave de alta potencia. Además, cabe destacar el coste significativamente menor de los transformadores de impulsos con potencia transmitida comparable, y la posibilidad de utilizar elementos de potencia menos potentes, ya que su modo de funcionamiento es clave;
- fiabilidad comparable a los estabilizadores lineales. (Las fuentes de alimentación para equipos informáticos, equipos de oficina y electrodomésticos son casi exclusivamente conmutadas).
- Amplia gama de voltaje y frecuencia de suministro, inalcanzable por un precio comparable. En la práctica, esto significa la posibilidad de utilizar la misma fuente de alimentación conmutada para dispositivos electrónicos digitales portátiles en diferentes países del mundo. Rusia/Estados Unidos/Inglaterra, que difieren mucho en voltaje y frecuencia en los enchufes estándar.
- la presencia en la mayoría de las fuentes de alimentación modernas de circuitos de protección incorporados contra diversas situaciones imprevistas, por ejemplo, contra un cortocircuito y por falta de carga en la salida
Desventajas de las fuentes de alimentación pulsadas
- Funcionamiento de la parte principal del circuito sin aislamiento galvánico de la red, lo que, en particular, dificulta un poco la reparación de dichas fuentes de alimentación;
- Todas las fuentes de alimentación conmutadas, sin excepción, son una fuente de alta frecuencia interferencia, ya que esto se debe al principio mismo de su funcionamiento. Por lo tanto, es necesario tomar medidas adicionales de supresión del ruido, que a menudo no eliminan completamente las interferencias. En este sentido, el uso de fuentes de alimentación conmutadas suele ser inaceptable para algunos tipos de equipos.
- En sistemas de alimentación distribuida: efecto de los armónicos que son múltiplos de tres. Si existen filtros y correctores del factor de potencia eficaces en los circuitos de entrada, este inconveniente no suele ser relevante
.