Circuitos electrónicos - SMPS
Los temas discutidos hasta ahora representan diferentes secciones de la unidad de fuente de alimentación. Todas estas secciones juntas hacenLinear Power Supply. Este es el método convencional para obtener CC a partir del suministro de CA de entrada.
Fuente de alimentación lineal
La fuente de alimentación lineal (LPS) es la fuente de alimentación regulada que disipa mucho calor en la resistencia en serie para regular el voltaje de salida que tiene una ondulación baja y un ruido bajo. Este LPS tiene muchas aplicaciones.
Una fuente de alimentación lineal requiere dispositivos semiconductores más grandes para regular el voltaje de salida y genera más calor, lo que resulta en una menor eficiencia energética. Las fuentes de alimentación lineales tienen tiempos de respuesta transitorios hasta 100 veces más rápidos que los demás, lo que es muy importante en determinadas áreas especializadas.
Ventajas de LPS
- La fuente de alimentación es continua.
- El circuito es simple.
- Estos son sistemas confiables.
- Este sistema responde dinámicamente a los cambios de carga.
- Las resistencias del circuito se cambian para regular el voltaje de salida.
- Como los componentes operan en una región lineal, el ruido es bajo.
- La ondulación es muy baja en el voltaje de salida.
Desventajas de LPS
- Los transformadores utilizados son más pesados y grandes.
- La disipación de calor es mayor.
- La eficiencia de la fuente de alimentación lineal es del 40 al 50%.
- La energía se desperdicia en forma de calor en los circuitos LPS.
- Se obtiene una tensión de salida única.
Ya hemos pasado por diferentes partes de una fuente de alimentación lineal. El diagrama de bloques de una fuente de alimentación lineal se muestra en la siguiente figura.
A pesar de las desventajas anteriores, las fuentes de alimentación lineales se utilizan ampliamente en amplificadores de bajo ruido, equipos de prueba y circuitos de control. Además, también se utilizan en la adquisición de datos y el procesamiento de señales.
Todos los sistemas de suministro de energía que necesitan una regulación simple y donde la eficiencia no es una preocupación, se utilizan los circuitos LPS. Como el ruido eléctrico es menor, el LPS se utiliza para alimentar circuitos analógicos sensibles. Pero para superar las desventajas del sistema de fuente de alimentación lineal, se utiliza la fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS).
Fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS)
Las desventajas de los LPS como la menor eficiencia, la necesidad de un gran valor de condensadores para reducir las ondulaciones y los transformadores pesados y costosos, etc., se superan mediante la implementación de Switched Mode Power Supplies.
El funcionamiento de SMPS se entiende simplemente sabiendo que el transistor usado en LPS se usa para controlar la caída de voltaje mientras que el transistor en SMPS se usa como un controlled switch.
Trabajando
El funcionamiento de SMPS se puede entender en la siguiente figura.
Tratemos de comprender qué sucede en cada etapa del circuito SMPS.
Etapa de entrada
La señal de suministro de entrada de CA de 50 Hz se envía directamente a la combinación del circuito de filtro y rectificador sin utilizar ningún transformador. Esta salida tendrá muchas variaciones y el valor de capacitancia del capacitor debería ser mayor para manejar las fluctuaciones de entrada. Esta CC no regulada se envía a la sección de conmutación central de SMPS.
Sección de conmutación
En esta sección se emplea un dispositivo de conmutación rápida como un transistor de potencia o un MOSFET, que se enciende y apaga según las variaciones y esta salida se da al primario del transformador presente en esta sección. Los transformadores que se utilizan aquí son mucho más pequeños y ligeros a diferencia de los que se utilizan para el suministro de 60 Hz. Son mucho más eficientes y, por tanto, la relación de conversión de energía es mayor.
Etapa de salida
La señal de salida de la sección de conmutación se rectifica y filtra nuevamente para obtener el voltaje de CC requerido. Este es un voltaje de salida regulado que luego se le da al circuito de control, que es un circuito de retroalimentación. La salida final se obtiene después de considerar la señal de retroalimentación.
Unidad de control
Esta unidad es el circuito de retroalimentación que tiene muchas secciones. Tengamos una comprensión clara de esto en la siguiente figura.
La figura anterior explica las partes internas de una unidad de control. El sensor de salida detecta la señal y la une a la centralita. La señal está aislada de la otra sección para que cualquier pico repentino no afecte a los circuitos. Se proporciona un voltaje de referencia como una entrada junto con la señal al amplificador de error, que es un comparador que compara la señal con el nivel de señal requerido.
Controlando la frecuencia de corte se mantiene el nivel de voltaje final. Esto se controla comparando las entradas dadas al amplificador de error, cuya salida ayuda a decidir si aumentar o disminuir la frecuencia de corte. El oscilador PWM produce una frecuencia fija de onda PWM estándar.
Podemos tener una mejor idea sobre el funcionamiento completo de SMPS echando un vistazo a la siguiente figura.
El SMPS se utiliza principalmente donde la conmutación de voltajes no es en absoluto un problema y donde la eficiencia del sistema realmente importa. Hay algunos puntos que deben tenerse en cuenta con respecto a SMPS. Son
El circuito SMPS se opera mediante conmutación y, por lo tanto, los voltajes varían continuamente.
El dispositivo de conmutación se opera en modo de saturación o de corte.
El voltaje de salida está controlado por el tiempo de conmutación del circuito de retroalimentación.
El tiempo de conmutación se ajusta ajustando el ciclo de trabajo.
La eficiencia de SMPS es alta porque, en lugar de disipar el exceso de energía en forma de calor, cambia continuamente su entrada para controlar la salida.
Desventajas
Hay algunas desventajas en SMPS, como
- El ruido está presente debido a la conmutación de alta frecuencia.
- El circuito es complejo.
- Produce interferencia electromagnética.
Ventajas
Las ventajas de SMPS incluyen,
- La eficiencia es tan alta como del 80 al 90%
- Menos generación de calor; menos desperdicio de energía.
- Reducción de la retroalimentación armónica en la red de suministro.
- El dispositivo es compacto y de tamaño pequeño.
- Se reduce el coste de fabricación.
- Disposición para proporcionar el número requerido de voltajes.
Aplicaciones
Hay muchas aplicaciones de SMPS. Se utilizan en la placa base de computadoras, cargadores de teléfonos móviles, mediciones de HVDC, cargadores de baterías, distribución central de energía, vehículos de motor, electrónica de consumo, computadoras portátiles, sistemas de seguridad, estaciones espaciales, etc.
Tipos de SMPS
SMPS es el circuito de fuente de alimentación de modo conmutado que está diseñado para obtener el voltaje de salida de CC regulado de un voltaje de CC o CA no regulado. Hay cuatro tipos principales de SMPS, como
- Convertidor DC a DC
- Convertidor de CA a CC
- Convertidor Fly back
- Convertidor directo
La parte de conversión de CA a CC en la sección de entrada marca la diferencia entre el convertidor de CA a CC y el convertidor de CC a CC. El convertidor Fly back se utiliza para aplicaciones de baja potencia. También hay convertidor Buck y convertidor Boost en los tipos SMPS que disminuyen o aumentan el voltaje de salida según los requisitos. El otro tipo de SMPS incluye convertidor fly-back auto-oscilante, convertidor Buck-boost, Cuk, Sepic, etc.