Las fuentes de alimentación conmutadas (también llamadas SMPS, del inglés "switched-mode power supply") se utilizan en casi todos los dispositivos eléctricos y electrónicos y se utilizan para convertir eficientemente la energía eléctrica de un voltaje a otro.
En el artículo de hoy, echemos un vistazo a qué son las fuentes de alimentación conmutadas. También veremos cómo funcionan y cuáles son sus ventajas y desventajas respecto a una fuente de alimentación tradicional.
¿Qué son las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS)?
¿En dos palabras? Una fuente de alimentación conmutada es una fuente de alimentación electrónica que puede convertir eficazmente la energía eléctrica de un voltaje a otro. Normalmente, se utiliza para transferir corriente desde una fuente CC/CA a una carga CC (por ejemplo, computadora, teléfono celular, etc.). La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas convierten un voltaje más alto (110 V o 220 V CA) en un voltaje CC mucho más bajo, como 24 V, 12 V o 5 V.
Podemos encontrar este tipo de alimentación en casi todos los aparatos eléctricos que estamos acostumbrados a utilizar en el día a día. Especialmente los compactos. No bromeemos: ¡realmente están en todas partes! Por ejemplo, los SMPS están presentes en cargadores de móviles, ordenadores, etc. También son fáciles de encontrar: puedes encontrarlos tanto en tiendas de electrónica como online en sitios especializados como RS.
La historia de las fuentes de alimentación conmutadas.
La invención de las fuentes de alimentación conmutadas se remonta a 1836. Existe evidencia de que se utilizaron algunas bobinas inductivas para generar picos de alto voltaje en condiciones de laboratorio. Después de casi un siglo, en 1959, en Bell Labs, Kahng y Atalla inventaron el MOSFET de potencia, que es la base de las fuentes de alimentación modernas.
Hay documentos de patente presentados por IBM en 1958 que muestran el diseño de un SMPS basado en la oscilación del transistor. Alrededor del mismo año, General Motors Corporation (GM) también solicitó patentes similares.
¿El primer producto comercial y ampliamente conocido con una fuente de alimentación conmutada en su interior? Esta es la calculadora de bolsillo HP-35 de Hewlett Packard. Desde entonces, las fuentes de alimentación conmutadas se han utilizado para alimentar LED, ROM y otros elementos primarios como relojes. Aunque fue desarrollado por muchos grandes proveedores, Microchip Technology presentó una patente para el uso del término “fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS)” en 1976 y, de hecho, obtuvo una buena hipoteca sobre él.
Hoy en día se utiliza en multitud de dispositivos de los más diversos sectores, desde mecánicas de última generación a la robótica.
Cómo trabajan
Cada uno de estos dispositivos consiste en un circuito complejo que opera a una frecuencia muy alta (20 kHz a 10 MHz). La conmutación de alta velocidad permite cambiar las fuentes de alimentación para convertir la electricidad de manera más eficiente que las fuentes de alimentación lineales tradicionales.
El circuito de alimentación SMPS contiene varios subcircuitos. Son ellos los que te permiten convertir de forma eficaz. la corriente de un voltaje a otro. Veamos cómo sucede.
Durante la fase de entrada, la corriente de alimentación de CA pasa a través de un rectificador que proporciona una salida de CC filtrada con el mismo voltaje. Como ejemplo, en la etapa de entrada, 110 V CA se convierte en 110 V CC. También se encuentran filtros LC adicionales (inductor y condensador) en este nivel para eliminar aún más cualquier ondulación.
La siguiente etapa es también la más importante. Por lo general, las fuentes de alimentación conmutadas contienen uno o más MOSFET de potencia que se utilizan como dispositivo de conmutación principal. La señal PWM enciende y apaga rápidamente el MOSFET, actuando como un interruptor. Esto convierte el voltaje de CC (resultado del paso anterior) en una onda cuadrada de alta frecuencia.
Esto nos lleva a la fase de salida.
También a la salida del transformador de potencia tenemos una señal oscilante que se filtra aún más. Incluso en el escenario encontramos filtros similares a los que vimos en la entrada, pero capaces de manejar más corriente a voltajes más bajos. Esta es la última etapa del circuito que transfiere energía a la carga conectada.
Finalmente, el dispositivo de conmutación (transistor o MOSFET). Debe encenderse y apagarse rápidamente para generar la onda cuadrada necesaria para alimentar el transformador de corriente utilizando la señal PWM. El ciclo de trabajo es la relación entre el tiempo de encendido y el tiempo total del ciclo. El voltaje de salida SMPS se puede controlar aumentando o disminuyendo el ciclo de trabajo de la señal PWM suministrada al transistor.
