Fuentes conmutadas

1 — Introducción

Figura 1: Fuente Conmutada
Cualquier dispositivo electrónico requiere de una fuente de alimentación para su funcionamiento. Si bien, fuera de bajo consumo, puede ser alimentado desde una batería, la mayoría de los equipos toman su alimentación de la red, convirtiendo la Corriente alterna en adecuados valores de Corriente Continua. Prácticamente todas las fuentes dealimentación incluidas en equipos actuales, tanto en los de uso industrial o de instrumentación, como en computadoras o en dispositivos de consumo masivo, cuentan con fuentes del tipo conmutado, conocidas también por las iniciales SMPS, derivadas de su denominación en inglés, Switched Mode Power Supply.

En este tipo de reguladores, la transferencia de energía desde la entrada a la salida no se realizaen forma continua, sino en forma de paquetes mediante la colocación de elementos reactivos que actúan como depósitos de energía. Esto es posible gracias a las tecnologías desarrolladas para la fabricación de los elementos activos y pasivos requeridos en el diseño de fuentes conmutadas. La aparición de los transistores MOSFET de potencia con altas capacidades de conmutación, junto con ladisponibilidad de diodos de alta velocidad y superiores materiales magnéticos han impulsado finalmente la adopción de este tipo de circuitos convertidores como base de diseño de todo tipo de fuentes de alimentación.

2 — Objetivo
Conocer el diseño y el análisis de las fuentes conmutadas, también las distintas configuraciones en las que se están basadas.

3 — Marco Teórico
El esquema básico de unafuente conmutada es el siguiente:
Figura 2: Esquema de una Fuente Conmutada

A los elementos indicados, normalmente se agrega un transformador entre la etapa de conmutación de alta frecuencia y el filtro de salida para aislar galvánicamente la entrada de la salida. El principio de funcionamiento de las fuentes conmutadas, permite que las mismas presenten las siguientes ventajas:

* Tamaño ypeso reducido. La operación a frecuencias elevadas permite la reducción del tamaño de los elementos inductivos, transformadores e inductancias.
* Mayor frecuencia del ripple de salida, facilitando las tareas de filtrado y reduciendo el tamaño de los elementos requeridos.
* Alta eficiencia. El elemento activo de conmutación (transistor o MOSFET), opera entre corte y saturación, reduciendosu disipación de potencia. Rendimientos típicos del 80 al 90% pueden ser fácilmente obtenidos (en oposición al 30 a 40% ofrecido por las fuentes reguladas linealmente). Adicionalmente las fuentes conmutadas alcanzan su máximo rendimiento a plena carga, en contraposición de las fuentes convencionales donde su mayor rendimiento se obtiene en vacío.
* Bajo costo. Debido a su reducido volumen ydisipación, los elementos activos, pasivos y de disipación son más pequeños, con el consecuente ahorro en el gabinete, montaje y ventilación.
* Amplio rango de tensión de entrada. Mediante la variación del ciclo de trabajo, estas variaciones pueden ser fácilmente compensadas.

Como desventajas pueden considerarse su mayor complejidad de diseño, emisión de señales de interferencia deradiofrecuencia y menor velocidad de respuesta ante bruscas variaciones de carga.
Las dos últimas son superadas mediante un adecuado diseño. Diseño que si bien es más complejo, al poder amortizarse en la producción de un elevado número de unidades, resulta en un incremento marginal del costo.

Tipos de fuentes conmutadas
Directo (FORWARD)
Figura 5: Directo (Forward)
Es algo más complejo que el sistemaFlyback aunque razonablemente sencillo y rentable en cuanto a costes para potencias de 100 a 250w. Cuando el transistor conmutador «T» está conduciendo «ON», la corriente crece en el primario del transformador transfiriendo energía al secundario. Como quiera que el sentido de los devanados el diodo “D2” está polarizado directamente, la corriente pasa a través de la inductancia “L” a la carga,...