La fuente de alimentación conmutada se utiliza para convertir el voltaje de entrada al valor requerido por los elementos internos del dispositivo. Otro nombre para las fuentes pulsadas, que se ha generalizado, es el de inversores.
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¿Lo que es?
El inversor es una fuente de alimentación secundaria que utiliza doble conversión del voltaje de entrada de CA. El valor de los parámetros de salida se regula cambiando la duración (ancho) de los pulsos y, en algunos casos, la frecuencia de su repetición. Este tipo de modulación se llama modulación de ancho de pulso.
El principio de funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada.
El funcionamiento del inversor se basa en la rectificación de la tensión primaria y su posterior transformación en una secuencia de pulsos de alta frecuencia. En esto se diferencia de un transformador convencional.El voltaje de salida del bloque se usa para formar una señal de retroalimentación negativa, que le permite ajustar los parámetros de los pulsos. Al controlar el ancho de los pulsos, es fácil organizar la estabilización y el ajuste de los parámetros de salida, voltaje o corriente. Es decir, puede ser tanto un estabilizador de voltaje como un estabilizador de corriente.
El número y la polaridad de los valores de salida pueden ser muy diferentes según el funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada.
Variedades de fuentes de alimentación.
Se han utilizado varios tipos de inversores, que difieren en su esquema de construcción:
- sin transformador;
- transformador.
Los primeros se diferencian en que la secuencia de pulsos va directamente al rectificador de salida y al filtro de suavizado del dispositivo. Tal esquema tiene un mínimo de componentes. Un inversor simple incluye un circuito integrado especializado: un generador de ancho de pulso.
De las desventajas de los dispositivos sin transformador, la principal es que no tienen aislamiento galvánico de la red eléctrica y pueden presentar riesgo de descarga eléctrica. Además, suelen tener poca potencia y solo dan 1 tensión de salida.
Más comunes son los dispositivos transformadores en los que se alimenta un tren de pulsos de alta frecuencia al devanado primario del transformador. Puede haber tantos devanados secundarios como desee, lo que le permite generar varios voltajes de salida. Cada devanado secundario está cargado con su propio rectificador y filtro suavizante.
Una poderosa fuente de alimentación conmutada para cualquier computadora se construye de acuerdo con un esquema que tiene alta confiabilidad y seguridad. Para la señal de retroalimentación, aquí se usa un voltaje de 5 o 12 voltios, ya que estos valores requieren la estabilización más precisa.
El uso de transformadores para convertir voltaje de alta frecuencia (decenas de kilohercios en lugar de 50 Hz) hizo posible reducir sus dimensiones y peso muchas veces y no usar hierro eléctrico, sino materiales ferromagnéticos con alta fuerza coercitiva como material del núcleo ( circuito magnético).
Los convertidores de CC también se construyen sobre la base de la modulación de ancho de pulso. Sin el uso de circuitos inversores, la conversión estuvo asociada con grandes dificultades.
esquema de fuente de alimentación
El circuito de la configuración más común de un convertidor de pulso incluye:
- filtro de supresión de ruido de red;
- rectificador;
- filtro de suavizado;
- convertidor de ancho de pulso;
- transistores clave;
- transformador de salida de alta frecuencia;
- rectificadores de salida;
- Salida de filtros individuales y grupales.
El propósito del filtro de supresión de ruido es retrasar la interferencia del funcionamiento del dispositivo a la red eléctrica. La conmutación de elementos semiconductores de potencia puede ir acompañada de la creación de pulsos de corta duración en un amplio rango de frecuencia. Por tanto, aquí es necesario utilizar elementos especialmente diseñados para este fin como condensadores de paso de las unidades de filtrado.
El rectificador se utiliza para convertir el voltaje de CA de entrada en CC, y el siguiente filtro de suavizado elimina la ondulación del voltaje rectificado.
En el caso de que se utilice un convertidor CC/CC, el rectificador y el filtro se vuelven innecesarios, y la señal de entrada, después de pasar los circuitos del filtro de ruido, se alimenta directamente al convertidor de ancho de pulso (modulador), abreviado como PWM.
PWM es la parte más compleja del circuito de fuente de alimentación de conmutación. Su tarea incluye:
- generación de pulsos de alta frecuencia;
- control de los parámetros de salida del bloque y corrección de la secuencia de pulsos de acuerdo con la señal de retroalimentación;
- control y protección de sobrecarga.
La señal PWM se alimenta a las salidas de control de potentes transistores clave conectados en un circuito de puente o medio puente. Las salidas de potencia de los transistores se cargan en el devanado primario del transformador de salida de alta frecuencia. En lugar de los tradicionales transistores bipolares, se utilizan transistores IGBT o MOSFET, que se caracterizan por una baja caída de tensión en las uniones y una alta velocidad. Los parámetros mejorados del transistor ayudan a reducir la disipación de energía con las mismas dimensiones y parámetros de diseño técnico.
El transformador de pulsos de salida utiliza el mismo principio de conversión que el clásico. Una excepción es el trabajo a una frecuencia más alta. Como resultado, los transformadores de alta frecuencia con la misma potencia transmitida tienen dimensiones más pequeñas.
El voltaje del devanado secundario del transformador de potencia (puede haber varios) se suministra a los rectificadores de salida. A diferencia del rectificador de entrada, los diodos rectificadores del circuito secundario deben tener una frecuencia de operación aumentada.Los diodos Schottky funcionan mejor en esta sección del circuito. Sus ventajas frente a las convencionales:
- alta frecuencia de operación;
- unión p-n de capacitancia reducida;
- pequeña caída de tensión.
El propósito del filtro de salida de la fuente de alimentación conmutada es reducir la ondulación del voltaje de salida rectificado al mínimo requerido. Dado que la frecuencia de ondulación es mucho más alta que la del voltaje de la red, no hay necesidad de valores de capacitancia grandes de los capacitores y la inductancia de las bobinas.
Alcance de la fuente de alimentación conmutada
Los convertidores de voltaje de conmutación se utilizan en la mayoría de los casos en lugar de los transformadores tradicionales con estabilizadores de semiconductores. Con la misma potencia, los inversores tienen dimensiones y peso generales más pequeños, alta confiabilidad y, lo que es más importante, mayor eficiencia y la capacidad de operar en un amplio rango de voltaje de entrada. Y con dimensiones comparables, la potencia máxima del inversor es varias veces mayor.
En un área como la conversión de voltaje directo, las fuentes pulsadas prácticamente no tienen reemplazo alternativo y pueden trabajar no solo para reducir el voltaje, sino también para generar uno mayor, para organizar un cambio de polaridad. La alta frecuencia de conversión facilita enormemente el filtrado y la estabilización de los parámetros de salida.
Los inversores de pequeño tamaño basados en circuitos integrados especializados se utilizan como cargadores para todo tipo de dispositivos, y su fiabilidad es tal que la vida útil de la unidad de carga puede superar varias veces el tiempo de funcionamiento de un dispositivo móvil.
Los controladores de potencia de 12 voltios para encender fuentes de iluminación LED también se construyen de acuerdo con un circuito pulsado.
Cómo hacer una fuente de alimentación conmutada con tus propias manos.
Los inversores, especialmente los más potentes, tienen circuitos complejos y solo pueden repetirlos radioaficionados experimentados. Para el autoensamblaje de las fuentes de alimentación de la red, podemos recomendar circuitos simples de baja potencia que utilicen chips controladores PWM especializados. Dichos circuitos integrados tienen una pequeña cantidad de elementos de flejado y tienen circuitos de conmutación típicos probados que prácticamente no requieren ajuste ni sintonización.
Al trabajar con estructuras caseras o reparar dispositivos industriales, se debe recordar que parte del circuito siempre estará al potencial de la red, por lo tanto, se deben observar las medidas de seguridad.
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