Fuentes conmutadas

Hoy en dia la mayoría de los equipos utilizan fuentes conmutadas.
El avance de la tecnología ha llevado también a que estos equipos cuenten con un alto grado de sofisticación y por lo tanto sean muy sensibles a sobretensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentación. Esto ha hecho imprescindible el empleo de fuentes que ingresa al equipo.
Las fuentes conmutadas presentan ciertas caracteristicas que las hacen ser recomendadas con respecto de las lineales; como son la mayor eficiencia (superior al 90% comparada con el 70% de las lineales), transformadores de menor tamaño y costo (en algunos casos se puede omitir el uso de transformador usando la linea de C.A.) El principal inconveniente es que como trabaja con alta frecuencia(superior a los 50 KHz) puede ocasionar interferencia a otros circuitos.
Las ventajas de este método incluyen menor tamaño y peso del núcleo, mayor eficiencia por lo tanto menor calentamiento.· Las desventajas comparándolas con fuentes lineales es que son más complejas y generan ruido eléctrico de alta frecuencia que debe ser cuidadosamente minimizado para no causar interferencias a equipos próximos a estas fuentes. Vista por dentro de una fuente conmutada ATX.

Una fuente conmutada trabaja en base al pricipio del interruptor, es decir, cerrando y abriendo un interruptor podemos controlar la cantidad de energía entregada a la carga.

Cuando el interruptor "I" se encuentra cerrado, el voltaje de la bateria V es entregado a la carga R, y por lo tanto, en R se desarrolla una potencia(energia) igual al producto de voltaje V por la corriente IR que circula por R. Si el interruptor "I" se encuentra abierto entonces la potencia que se disipa(desarrolla) en R es cero. Es decir, si abrimos y cerramos el interruptor varias veces seguidas (frecuencia) en la carga se estara desarrollando una potencia promedio; por supuesto que en el interuptor I no se desarrolla ninguna potencia, por lo tanto toda la potencia entregada por la bateria V es aprovechada por R. Existen dos tipos de fuentes conmutadas aquellas que varian el tiempo en que el interruptor esta cerrado manteniendo la frecuencia de conmutacion constante, y aquellas que varian la frecuencia manteniendo fijo o constante el tiempo en que el interruptor se encuentra cerrado.
Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:








En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de la entrada convirtiéndola en una directa pulsante.
El segundo bloque se encarga de convertir esa directa en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 MHz), La cual es aplicada en una bobina o al primario de un transformador.
Luego el tercero bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una continua pura.
El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM) el modulador recibe del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia.
**NOTA** Ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.
En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el cuarto bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y en segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados.

El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendrá configuraciones básicas: BUCK , BOOST, BUCK-BOOST.





Buck: el circuito interrumpe la alimentación y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensión aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulación se ejecuta mediante la simple variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta regulación es suficiente y sólo se deberá ajustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión de saturación de los transistores de conmutación.
Boost: el funcionamiento es más complejo. Mientras el Buck almacena la energía en una bobina y éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga.
Buck-Boost: los sistemas conocidos como Flyback son una evolución de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia. El verdadero sistema Boost sólo puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensión de salida que la de entrada.
En el análisis de los sistemas Boost comenzamos por saber que la energía que se almacena en la inductancia es entregada como una cantidad fija de potencia a la carga: Po = ( L I² fo) / 2 ; I es la corriente de pico en la bobina, fo es la frecuencia de trabajo, L es el valor de la inductancia. Este sistema entrega siempre una cantidad fija de potencia a la carga sin fijarse en la impedancia de la carga, por eso es que el Boost es muy usado en sistemas de flash fotográficos o en sistemas de ignición del automotor para recargar la carga capacitiva, también es usado como un muy buen cargador de baterías. Pero cuando necesitamos alimentar un sistema electrónico con carga resistiva debemos conocer muy bien el valor de resistencia para poder calcular el valor de la tensión de salida: Vo = ( Po.Rl )^½ = I ( ½ L fo Rl )^½, donde Rl es el valor de resistencia del circuito. En este caso la corriente de la bobina es proporcional al tiempo de conectado o al ciclo de trabajo del conmutador y la regulación para cargas fijas se realiza por variación del ciclo de trabajo.