¿Cómo funciona una fuente de alimentación conmutada (SMPS)?

¿Busca una fuente de alimentación que pueda convertir energía de CA o CC a uno o más niveles de CC? Entonces necesita una fuente de alimentación conmutada. Aquí le explicamos cómo funcionan.
 
Comúnmente conocidos como "conmutadores", estos dispositivos activan y desactivan sus fuentes de energía múltiples veces por segundo. Este conmutado genera una frecuencia de entrada efectiva que a menudo alcanza el rango de los megahercios.

El "interruptor" en una fuente de alimentación conmutada es en realidad un semiconductor: un MOSFET que está apagado o encendido, llevado a su rango de saturación para transferir energía con casi ninguna resistencia. Esto se realiza miles de veces por segundo, creando el intermediario de corriente alterna de alta frecuencia. Debido a que el semiconductor ha sido llevado a saturación, prácticamente no presenta resistencia, lo que permite una alta eficiencia y muy poca generación de calor. Una fuente de alimentación lineal, en cambio, se llama así porque sus rectificadores operan en el rango lineal. Esto significa que cuando conducen energía, lo hacen a través de una resistencia, con toda la pérdida de energía y generación de calor que es intrínseca al proceso.   Cualquiera que sea la frecuencia a la que el semiconductor está encendiéndose y apagándose, el tiempo entre el inicio de cada uno de los pulsos de "encendido" se define como el período de conmutación. El tiempo de encendido, como una fracción de un período de conmutación, se denomina ciclo de trabajo. Al variar el ciclo de trabajo, se controla el voltaje de salida. Cambiar el ciclo de trabajo "en tiempo real" mantiene el voltaje en el nivel deseado. 

Alta eficiencia – Generan mucho menos calor. Las unidades de menor potencia a menudo no requieren un protector térmico, lo que significa que se pueden montar directamente en las PCB.   Factor de forma compacto – Debido a que los conmutadores operan a una frecuencia más alta, el valor y, por ende, el tamaño de los capacitores y los inductores de filtrado asociados serán más pequeños, y la unidad en general ocupará menos espacio.   Diseño versátil – Los conmutadores pueden diseñarse para aumentar (Boost) o reducir (Buck) el voltaje según lo requiera la aplicación.

Terminología   Los convertidores se describen a menudo en términos de bricks, half-bricks y quarter bricks. Un full brick tiene dimensiones en pulgadas de 4.6 x 2.4 x 0.5, un half-brick mide 2.3 x 2.4 x 0.35, y un quarter-brick mide 2.3 x 1.45 x 0.35. Estas definiciones son ampliamente aceptadas, aunque no se siguen de manera uniforme. La especificación también incluye la disposición de los pines; por lo tanto, cuando se utilizan convertidores que cumplen con el estándar, es muy fácil sustituir un producto cuando el diseñador lo necesita o lo elige. Los modelos más nuevos de fuentes de alimentación quarter-brick pueden proporcionar 250 vatios o más de potencia eléctrica. Esto representa una gran mejora en comparación con el espacio previamente necesario para la energía, liberando espacio para incluir más características en el producto que se está diseñando.   Construcción   Las ecuaciones que describen la física de los convertidores son engañosamente simples. Las realidades prácticas de manejar amperios, en lugar de los microamperios con los que la mayoría de los ingenieros eléctricos suelen trabajar, pueden llevar a retrasos, costos adicionales e incluso fallos totales del producto. El diseño de convertidores siempre es mejor dejarlo en manos de un especialista en energía, y este es uno de esos escenarios en los que casi siempre es mejor comprar que construir.   Los ingenieros tienen dos opciones principales para diseñar con fuentes de alimentación conmutadas. La primera es una fuente de alimentación única que genere todos los voltajes necesarios para el sistema que se está alimentando. La segunda implica una unidad que se conecte con la fuente de CA externa, pero que tenga solo una salida de CC, a menudo de 12, 24 o 48 voltios. En este caso, el voltaje producido por la fuente de alimentación principal es el más alto que se necesitará. Si se necesita un voltaje menor en cualquier parte del sistema, se puede emplear un buck converter para realizar la conversión descendente requerida de CC a CC.   Los buck converters son extremadamente eficientes, con pérdidas de solo un 5 por ciento o incluso menos. A veces también se les describe como reguladores conmutados. De manera similar a todos los convertidores, el núcleo del buck converter es un interruptor semiconductor que enciende y apaga el voltaje de la fuente miles de veces por segundo o más.   Debido a sus ventajas de diseño, las fuentes de alimentación conmutadas se han convertido rápidamente en el estándar en casi todas las aplicaciones, excepto en las más técnicas y exigentes. Los diseños se siguen mejorando constantemente en términos de eficiencia, tamaño más reducido y menor peso. ¿Buscas más consejos sobre fuentes de alimentación? Profundiza con nuestro análisis de los principales tipos de convertidores CC a CC conmutados.