2C

DC

272

02

2

F0

206

2. Principios básicos de las fuentes de alimentación para uso industrial

2.1 Diseño eléctricoDesde una perspectiva simplificada del diseño eléctrico de las fuentes de alimentación, éstas pueden considerarse un dispositivo con una parte de entrada y otra de salida. La parte de entrada y la parte de salida están aisladas eléctricamente entre sí.

L

Entrada CA/CC N

PE

L+

Salida CC

L-

Figura 1 – Perspectiva simplificada del diseño eléctrico

En la tabla siguiente se detallan los términos más importantes en relación con la parte de entrada y la parte de salida.

Parte de entrada Parte de salida

PrimarioTensión de entradaConexión a tierra del primario Consumo de corriente Corriente de arranqueFusible de entrada Frecuencia Alimentación de CCProtección contra fallos de alimentaciónCorrección de factor de potencia (PFC)

SecundarioTensión de salidaConexión a tierra del secundario Intensidad de cortocircuito Rizado residualCaracterísticas de salidaIntensidad de salida

Tabla 1 – Términos relativos a la parte de entrada y salida

4

2C

DC

272

02

3

F0

206

2. Principios básicos de las fuentes de alimentación para uso industrial

2.2. Tipos de fuentes de alimentación y su diseñoExisten dos tipos principales de fuentes de alimentación: fuentes de alimentación reguladasy no reguladas. Las fuentes de alimentación reguladas se dividen en fuentes de alimentación reguladas linealmente y fuentes de alimentación conmutadas.

fuente de alimentación

no regulada regulada

regulada linealmente conmutada

conmutada en primario

conmutada en secundario

Figura 2 – Descripción de los tipos de fuentes de alimentación

A continuación se explican los distintos tipos de fuentes de alimentación en mayor detalle. No obstante, las explicaciones sólo se refieren a la tecnología básica y no a los detalles de diseño de los circuitos.

5

2C

DC

272

02

4

F0

b06

2. Principios básicos de las fuentes de alimentación para uso industrial

2.2.1 Fuentes de alimentación no reguladas

L L+

50/60 Hz C

N L- U U U U

t t t t

Figura 3 – Fuente de alimentación no regulada

La tensión de red de CA (50/60 Hz) aplicada a la parte de entrada se transforma a un nivel inferior y se rectifica posteriormente mediante un rectificador. Seguidamente, un conden- sador C suaviza la tensión de salida del rectificador. Las dimensiones del transformador dependen de la tensión de salida deseada.Debido al diseño del circuito eléctrico, la tensión de salida depende directamente de la ten- sión de entrada, lo que a su vez significa que las variaciones en la tensión de red tienen un efecto directo sobre la parte de salida. Puesto que no se efectúa regulación en el secunda- rio, el rizado residual de la tensión de salida se sitúa en el orden de los voltios y se especifica como un porcentaje de la tensión de salida de CC.Debido a la sencillez de su diseño, las fuentes de alimentación no reguladas son muy robus- tas y duraderas. Su rendimiento aproximado es del 80%.Las fuentes de alimentación no reguladas se emplean principalmente en aplicaciones electromecánicas sencillas que no requieren tensiones de salida exactas, por ejemplo para alimentar contactores.

Ventajas Desventajas

Alto rendimiento Durabilidad Rentabilidad

Gran tamañoAlto rizado residualAusencia de alimentación de CC

6

2C

DC

272

02

5

F0

b06

2. Principios básicos de las fuentes de alimentación para uso industrial

2.2.2 Fuentes de alimentación reguladas linealmente

L

50/60 Hz

N

T L+

C1 C2Controlador

L-U U U

t t t

Figura 4 – Fuente de alimentación regulada linealmente

La entrada de tensión de red CA se transforma a un nivel de voltaje menor, se rectifica y suaviza mediante el condensador C1. Seguidamente se realiza la regulación de tensión, normalmente a través de un transistor de potencia. El transistor de potencia actúa como una resistencia variable, que se controla para mantener la tensión de salida constante.El rendimiento de las fuentes de alimentación reguladas linealmente sólo es del 50% aproxi- mádamente, debido a las elevadas pérdidas dentro del transistor de potencia. La energía restante se emite en forma de calor. Por este motivo, se requiere ventilación suficiente para refrigerar la fuente de alimentación. En comparación con las fuentes de alimentación no reguladas, las reguladas linealmente presentan un rizado residual muy pequeño de la tensión de salida (del orden de milivoltios).Las fuentes de alimentación reguladas linealmente se emplean en todas las aplicaciones que requieren una tensión de salida muy exacta, por ejemplo en dispositivos médicos de gran precisión.

Ventajas Desventajas

Tiempos de regulación cortosBajo rizado residualCircuitos sencillos

Bajo rendimientoGran tamañoAusencia de alimentación de CC

7

2C

DC

272

02

6

F0

b06

2. Principios básicos de las fuentes de alimentación para uso industrial

2.2.3 Fuentes de alimentación conmutadas en primario

Controlador Aislamiento

L T L+

50/60 Hz C1 C2

N L- U U U U U

t t t t t

Figura 5 – Fuente de alimentación conmutada en primario

En las fuentes de alimentación conmutadas en primario, primero la tensión de red de CA se rectifica y se suaviza y después se interrumpe ("conmuta"). La interrupción significa que la tensión de CC se conmuta periódicamente a una frecuencia de 40 a 200 kHz mediante un transistor de potencia.En comparación con las fuentes de alimentación reguladas linealmente, el transistor de potencia no actúa como una resistencia variable sino como un interruptor. Ello genera una tensión de CA de onda cuadrada que se transforma hacia el circuito secundario a travésde un transformador de alta frecuencia. En el circuito secundario, la tensión se rectifica y se suaviza. La cantidad de energía transformada hacia el circuito secundario se controla en fun- ción de la carga variando la tasa de interrupción. Cuanto más tiempo conduzca el transistor, mayor será la cantidad de energía transformada hacia el circuito secundario(modulación por anchura de impulsos).Debido al uso de tensión de CA de alta frecuencia, las fuentes de alimentación conmutadas en primario tienen una ventaja decisiva: su transformador puede tener unas dimensiones mucho menores de lo requerido para la transformación de bajas frecuencias. Ello reduce el peso y la disipación en el interior de la unidad. El rendimiento de estas unidades oscila entre el 85 y el 95%. Dado que la tensión de salida no depende directamente de la tensión de entrada, estas unidades pueden emplearse con un amplio rango de tensiones de entradae incluso pueden alimentarse con tensión de CC. Además, es posible compensar interrup- ciones de la tensión de red de corta duración de hasta 200 ms. No obstante, el tiempo de compensación de fallos de alimentación está limitado por el tamaño del condensador C1 puesto que un tiempo de compensación mayor requiere una capacidad superior y, por lo tanto, un condensador mayor , lo cual no es recomendable sobre todo en el caso de fuentes de alimentación pequeñas. Por lo tanto, hay que encontrar un equilibrio práctico entre el tamaño de la fuente de alimentación y el tiempo de compensación.

8

2. Principios básicos de las fuentes de alimentación para uso industrial

Las fuentes de alimentación conmutadas en primario pueden emplearse para todos los cometidos. Por ejemplo, son adecuadas para alimentar toda clase de equipos electrónicos y también aplicaciones electromecánicas.

Ventajas Desventajas

Pequeño tamañoPeso reducidoAmplio rango de tensiones de entradaFacilidad de regulación Alto rendimiento Alimentación de CCCompensación en caso de fallo de tensión de red

Circuitos complejosContaminación de redLa alta frecuencia requiere medidas de supresión de interferenciasPrecio elevado

2.2.4 Fuentes de alimentación conmutadas en secundarioEl diseño de las fuentes de alimentación conmutadas en secundario difiere tan sólo en un detalle del diseño de las fuentes de alimentación conmutadas en primario. La interrupción se efectúa en el secundario. Por consiguiente, debe utilizarse un transformador mucho mayor porque tiene que transformar una tensión de red de 50/60 Hz. No obstante, el transformador también actúa como un filtro y, por lo tanto, minimiza la contaminación de la red.

Ventajas Desventajas

Alto rendimientoFacilidad de regulaciónAmplio rango de tensiones de entradaBaja contaminación de red

Gran tamañoAusencia de alimentación de CC Precio elevado

9

2. Principios básicos de las fuentes de alimentación para uso industrial

2.2.5 ResumenEn los últimos años, las fuentes de alimentación conmutadas en primario han gozado de una especial aceptación en el campo de las aplicaciones industriales. Su capacidad de aceptar casi todas las tensiones de entrada, su alto rendimiento y su diseño compacto hacen que estas fuentes de alimentación sean una opción prioritaria para el diseño de nuevas instala- ciones o la ampliación de las existentes.

En la tabla siguiente se comparan los distintos tipos de fuentes de alimentación, teniendo en cuenta sus características más importantes.

No reguladas Reguladas lineal- mente

Conmutadas en primario

Rendimiento + -- ++

Tiempo de regulación -- ++ +

Peso y tamaño -- - ++

Rizado residual -- ++ +

Costes ++ - --

Ámbitos de aplicación -- + ++

Tabla 2 - Comparación de distintos tipos de fuentes de alimentación