SMPS (Switching Mode Power
Supply) Introducción, defnición, tipos, allas y aplicaciones de las SMPS
Instituto Técnico Salesiano
Fuentes conutadas o SMPS Taller de electrónica Cuarto año Electrónica VI
Proesor Ramón Gómez
!utores Darmin Jeifrison Ruiz Abreu Diego Rafael Cespedes Contreras !" !#
Introducción En este trabajo, hablaremos sobre todo lo concerniente a las fuentes conmutadas, estaremos hablando de que son, para que se aplican, su origen y hablaremos detalladamente de sus estructuración interna, su división es bloques y para qué sirven cada uno de esos bloques, hablaremos de sus topologías, ventajas y desventajas y sus derivados, y agregaremos el ámbito de la reparación para cualquier técnico interesado en estos tipos de fuentes conmutadas o mejor conocida como SMS !S"itching Mode o"er Supply#$
Fuentes conutadas o SMPS Una fuente conmutada o también llamada SMPS (Switching Mode Power Supply) es
un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación$ Mientras que unregulador de tensión utili%a transistores polari%ados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utili%an los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias !&'()'' *ilociclos típicamente# entre corte !abiertos# y saturación !cerrados#$ +a forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con ncleo de ferrita !+os ncleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias porque tienen muchas pérdidas debido a corrientes de -oucault y sobre todo por las grandes pérdidas por histéresis. recordar que una curva de saturación normal de acero cocido corresponde a un material con característica dura y alta densidad de flujo# para obtener uno o varios voltajes de salida de corriente alterna !/0# que luego son rectificados !con diodos rápidos#y filtrados !inductores y condensadores#para obtener los voltajes de salida de corriente continua !//#$ +as fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos1 •
alimentación /0, salida //1 rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro$ !Ej$1 fuente de alimentación de ordenador de mesa# •
alimentación /0, salida /01 variador de frecuencia, conversor de frecuencia$ !Ej$1 variador de motor# •
alimentación //, salida /01 inversor
!Ej$1 generar &&' v23' ciclos a partir de una batería de )& v# •
alimentación //, salida //1 conversor de voltaje o de corriente$
!Ej$1 cargador de baterías de celulares para auto#
"rigen y e#olución de las uentes conutadas /omo todo en la electrónica su historia remota hacia los siglos 44, a sus inicios con -leming y +ee de -orest quienes fueron los padres de la electrónica, pero más específicamente las fuentes conmutadas siguieron esta línea cronológica para llegar a evolucionar hasta este tiempo1 •
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)5671 +os radios de los automóviles usaban vibradores electromecánicos para transformar el suministro de batería de 7 8 para una tensión 9 : adecuado para los tubos de vacío$ )5351 Sistema convertidor de oscilaciones transitorias y rectificación para fuentes de alimentación, es presentado como la patente 6$';'$&<) en Estados =nidos$ )5<'1 Se produjeron fuentes de alimentación de alta eficiencia hasta los a>os )553$ )5<&1 ?( 63, la primera calculadora de bolsillo de ?e"lett (ac*ard, se introduce con la fuente conmutada de transistores para los diodos emisores de lu%, los relojes, el tiempo, @AM, y registros$ )5<71 -uente de alimentación conmutada o SMS, es presentada coma la patente ;$'5<$<<6 en Estados =nidos$ )5<<1 El ordenador 0pple BB fue dise>ada usando la fuente de alimentación conmutada, para su tiempo fue un gran avance para las fuentes de alimentación ya que no se habían utili%ado las fuentes de alimentación conmutadas hasta ese entonces$ -ue dise>ada por @od ?olt, fue contratado como ingeniero en 0pple, no obstante la 0pple BB tenía defectos que nunca fueron publicados, sin embargo el aporte que hi%o @od ?olt dio un empujón para la creación de las -uentes conmutadas que se utili%an en los ordenadores actuales$ )5C'1 El ?C77&0 )' *?% ( ),&C D?% generador de se>ales sinteti%adas fue creado con una fuente de alimentación conmutada$
$iagraa en %lo&ue de las SMPS
Entrada de
Recti%cador de entrada
Etapa in&ersora
Etapa transformad
Recti%cador de salida
$alida
Regulación
Rectificador de entrada: si el
SMS tiene una entrada de 0/, a continuación, la primera etapa es convertir la entrada a /$ Esto se llama rectificación$ =n SMS con una entrada de / no requiere esta etapa$ convierte la /, ya sea directamente de la entrada o de la etapa rectificadora, a la 0/ mediante la ejecución a través de un oscilador de potencia, cuyo transformador de salida es muy peque>o, con unos devanados a una frecuencia de decenas o cientos de *ilohercios$ +a frecuencia se elige generalmente para estar por encima de &' *?%, para que sea inaudible para los seres humanos$ +a conmutación se implementa como una de mltiples etapas !para lograr una alta ganancia# amplificador MAS-EF$ Etapa inverora:
Etapa tranformadora: Si
se requiere la salida para ser aislada de la entrada, como suele ser el caso en las fuentes de alimentación de red, la 0/ invertida se utili%a para conducir el devanado primario de un transformador de alta frecuencia$ Esto convierte la tensión hacia arriba o hacia abajo hasta el nivel de salida deseado en su devanado secundario$ Rectificador de alida: Si
se requiere una salida /, la salida de 0/ del transformador se rectifica$ ara tensiones de salida superior a die% voltios o menos, se utili%an comnmente diodos de silicio normales$ ara voltajes más bajos, diodos Schott*y se utili%an comnmente como los elementos rectificadores$
=n circuito de realimentación supervisa la tensión de salida y la compara con una tensión de referencia$ ependiendo de los requisitos de dise>o 2 de seguridad, el controlador puede contener un mecanismo de aislamiento !tales como opto(acopladores# para aislarlo de la salida de la /$ Regulaci!n:
'entaas y des#entaas de las SMPS so%re las uentes con#encionales ?ay dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas disponibles1 conmutadas y lineales$ +as ra%ones por las cuales elegir un tipo o el otro se pueden resumir como sigue$ •
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"ama#o y peo G
las fuentes de alimentación lineales utili%an un transformador funcionando a la frecuencia de 3' o 7' ?%$ Este transformador de baja frecuencia es varias veces más grande y más pesado que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el cual funciona en frecuencias típicas de 3' H?% a ) M?%$ $olta%e de la alida G
las fuentes de alimentación lineales regulan la salida usando un voltaje más alto en las etapas previas y luego disipando energía como calor para producir un voltaje más bajo, regulado$ Esta caída de voltaje es necesaria y no puede ser eliminada mejorando el dise>o$ +as fuentes conmutadas pueden producir voltajes de salida que son más bajos que el voltaje de entrada, más altos que el voltaje e incluso inversos al voltaje de entrada, haciéndolos versátiles y mejor adaptables a voltajes de entrada variables$ Eficiencia& calor& y energ'a diipada (
=na fuente lineal regula el voltaje o la corriente de la salida disipando el eIceso de energía como calor, lo cual es inefica%$ =na fuente conmutada usa la se>al de control para variar el ancho de pulso, tomando de la alimentación solamente la energía requerida por la carga$ omple%idad (
un regulador lineal consiste en ltima instancia un transistor de potencia, un /B de regulación de voltaje y un condensador de filtro de ruido$ En cambio una fuente conmutada contiene típicamente un /B regulador, uno o varios transistores y diodos de potencia como así también un transformador, inductores, y condensadores de filtro$ Mltiples voltajes se pueden generar a partir del mismo ncleo de transformador$
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nterferencia por radiofrecuencia (
+a corriente en las fuentes conmutadas tiene cambios abruptos, y contiene una proporción grande de componentes espectrales de alta frecuencia$ /ables o pistas largas entre los componentes pueden reducir la eficacia de alta frecuencia de los filtros a condensadores en la entrada y salida$ +as fuentes de alimentación lineales no producen generalmente interferencia, y se utili%an para proveer de energía donde la interferencia de radio no debe ocurrir$ Ruido electr!nico en
los terminales de salida de fuentes de alimentación lineales baratas con pobre regulación se puede eIperimentar un voltaje de 0/ peque>o JmontadoK sobre la / de dos veces la frecuencia de alimentación !)''2)&' ciclos#$ Esta JondulaciónK está generalmente en el orden de varios milivoltios$ En cambio las fuentes conmutadas no eIhiben generalmente la ondulación en la frecuencia de la alimentación, sino salidas generalmente más ruidosas a altas frecuencias$ El ruido está generalmente relacionado con la frecuencia de la conmutación$ Ruido ac*tico (
+as fuentes de alimentación lineales emiten típicamente un %umbido débil, en la baja frecuencia de alimentación, pero ésta es raramente audible !la vibración de las bobinas y las chapas del ncleo del transformador suelen ser las causas#$ +as -uentes conmutadas con su funcionamiento mucho más alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres humanos !a menos que tengan un ventilador, como en la mayoría de las computadoras personales#$ El funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, ya que genera ruido acstico en frecuencia subarmónico del oscilador$ +actor de potencia las
fuentes lineales tienen bajo factor de potencia porque la energía es obtenida en los picos de voltaje de la línea de alimentación$ +a corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la forma de onda del voltaje, sino que en forma similar a las fuentes lineales la energía es obtenida solo de la parte más alta de la onda sinusoidal, por lo que su uso cada ve% más frecuente en computadoras personales y lámparas fluorescentes se constituyó en un problema creciente para la distribución de energía$ EIisten fuentes conmutadas con una etapa previa de corrección del factor de potencia que reduce grandemente este problema y son de uso obligatorio en algunos países particularmente europeos a partir de determinadas potencias$ Ruido eléctrico sobre
la línea de la alimentación principal puede aparecer ruido electrónico de conmutación que puede causar interferencia con equipos de 028 conectados en la misma fase$ +as fuentes de alimentación lineales raramente presentan este efecto$ +as fuentes conmutadas bien dise>adas poseen filtros a la entrada que minimi%an la interferencia causada en la línea de alimentación principal$
Topologas de las uentes conutadas +as fuentes conmutadas eIisten en diferentes topologías con características particulares en cada una$
ot Eficien -lmacena% Relaci Potencia o "enio -ilamie aracter' "opolog'a cia e de !n de (,) relati ne ($) nto tica (t'pica) energ'a teni!n vo
:uc*
'G)'''
<3L
)$'
3G No )'''
8 Bnductor Si salida isminuir mple O8 Fensión entrada
:oost
:uc*( boost
'G)3'
'G)3'
)$'
)$'
3G7'' No
3G7'' No
Bnductor Simple
8 salida 0umentar P8 Fensión entrada
Bnductor Simple
8 salida mayor ermite o invertir la menor salida que 8 entrada
ot Eficien -lmacena% Relaci Potencia o "enio -ilamie aracter' "opolog'a cia e de !n de (,) relati ne ($) nto tica (t'pica) energ'a teni!n vo
-lybac*
?alf( -or"ard
'G)3'
'G&3'
<3L
)$'
)$&
3G7'' Si
8 salida mayor Fransforma Salidas o dor Mltiples menor que 8 entrada
3(3''
Fransforma dor 9 inductor
Si
-or"ard
Si
)''G )'''
<&L
)$<3
3'G )'''
Si
Semipuent e ?alf( 'G3'' bridge
<&L
)$5
3'G )'''
Si
uente ? ;''G completo &'''
75L
P&$'
3'G )'''
Si
ush(ull
Fransforma dor 9 inductor
Salidas Mltiples
ot Eficien -lmacena% Relaci Potencia o "enio -ilamie aracter' "opolog'a cia e de !n de (,) relati ne ($) nto tica (t'pica) energ'a teni!n vo
@esonante , conmutad P)''' a en cruce por cero
P&$'
Qu*
No
SEB/
No
/ondensad or 9 dos inductores os 8 inductores salida mayor o
(
menor que 8 entrada
Multiplica dor de '$)() tensión
5'L
'$&
3''( No )'''''
+os multiplicad ores de 8 tensión se /ondensad salidaP utili%an or P8 para entrada generar muy altas tensiones$
Filtros *MI+FI +iltro EM (filtro de interferencia electromagnética&o +iltro de radio frecuencia):
es un dispositivo electrónico que degrada el campo electromagnético generado por otros dispositivos cercanos a este$ Es un fenómeno que ocurre naturalmente cuando el campo electromagnético de un dispositivo o aparato interrumpe, degrada o impide el campo electromagnético de otro dispositivo, al encontrarse muy cerca de el o qui%ás conectado a la misma línea de alimentación de energía$ +os filtros EMB evitan la interferencia magnética entre dispositivos eléctricos$ ueden ser desde peque>as resistencias hasta tarjetas con un dise>o electrónico y varios condensadores integrados, dependiendo del tipo de aparato en el que se necesitan$
Sin estos filtros, sin querer, estamos inyectando a la red, los parásitos de alta frecuencia, procedentes de la conmutación de nuestros propios aparatos y también recibimos todo lo que viene por ella$ -iltros en modo comn1 +os filtros en modo comn son de dos variedades1 para las se>ales que vienen de la alimentación 0/ y las que vienen de la línea de transmisión$ 0mbas son usadas para suprimir las interferencias EMB en los aparatos electrónicos$ /onsisten en un ncleo toroidal de material ferro magnético al que se arrolla el cable por donde pasa la interferencia$ Esta configuración acta como bobina de choque y minimi%a las interferencias en modo comn de forma satisfactoria$ Este montaje deberá estar lo más próIimo posible del receptor tanto para el caso de línea de transmisión como de alimentación$ -iltros del tipo stub1 Se usan, como los anteriores para la eliminación de EMB$ Se denominan así porque usan segmentos de cable coaIial para construir el filtro$ Se suelen usar secciones de cable de un cuarto de onda y de media onda$ Se usan principalmente para banda suprimida, es decir para eliminar una banda de frecuencias no deseadas$ 0plicaciones1 +os filtros EMB son utili%ados en la mayoría de los equipos electrónicos que utili%an fuentes conmutadas, teniendo especial significación, por sus efectos inmediatos, en la televisión, radio y audio$ Fambién se utili%an en la transmisión de datos en los equipos de conmutación$
Fuentes conutadas con PF=na fuente -/ es una fuente con J/orrector de factor de potenciaK$ El factor de potencia eIpresa en términos generales, el desfasamiento o no de la corriente con relación al voltaje, y es utili%ado como indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica, el cual puede tomar valores entre ' y )$', siendo la unidad )$' el valor máIimo de -, y por tanto el mejor aprovechamiento de la energía$ ara resolver esta situación se suelen a>adir bobinas (usadas en filtros y transformadores(, las cuales, al tener una impedancia inductiva, contrarrestan la capacitiva de la fuente1 son los denominados Rcircuito de correcci!n de factor de potencia paivoR$ El problema es que, con elementos pasivos como las bobinas, no es posible anular por completo la desadaptación debido a que la tensión en la línea no es estable$ 0demás, obliga a ajustar manualmente el voltaje de la fuente !el clásico conmutador de R))'2&&' voltiosR$ Estos circuitos, los más baratos, tan solo permiten aumentar la eficiencia hasta un valor
ra%onable$ !=n circuito pasivo es aquel que responde de una forma predefinida a las características de la se>al que lo atraviesa sin anali%arla, de forma que suele tener buenos comportamientos en un margen de alimentación estándar pero que cuando el funcionamiento del circuito se sale de su situación ideal el comportamiento no es tan bueno#$
Sin embargo, gracias al constante abaratamiento de la electrónica, hoy en día resulta factible construir por un precio ra%onable adaptadores activos de impedancia, los cuales pueden lidiar mucho mejor con los cambios que se producen en una fuente conmutada de / y mantener el factor de potencia próIimo a la unidad$ /on un controlador activo sería posible, en teoría, superar el 53L de eficiencia$ El inconveniente es que las fuentes dotadas con estos circuitos son algo más caras que las que no los llevan$ !+os circuitos activos son aquellos que, de una u otra forma, son RinteligentesR, y por tanto adaptan comportamiento ante la se>al eléctrica, en función de unas especificaciones de dise>o$ Son circuitos correctores muy efectivos#$
Fuentes conutadas tipo Step.up y Step.down (
Step up
Step up1 la tensión de salida es opuesta a la tensión de entrada$ Esta configuración aumenta el valor de tensión respecto la tensión de entrada$ =tili%a los mismos componentes que la configuración anterior pero los ordenados de otra manera$ En esta configuración cuando el s"itch está cerrado la corriente circula por la bobina y el transistor ya que el diodo estará en inversa$ Esta corriente crecerá lentamente$
/uando el s"itch el circuito$ En este momento el inductor invierte la polaridad de su caída de tensión para poder mantener la misma corriente, de esta forma esta tensión se suma a la 8in y así la tensión de salida será mayor que la tensión de entrada$ urante este periodo el capacitor es cargado y a su ve% la carga es alimentada$ /uando se pasa a saturación nuevamente es el capacitor quien alimenta a carga$ (
Step o"n
Step o"n1 la tensión de salida es menos que la tensión de entrada$ Esta configuración reduce el valor de tensión respecto a la tensión de entrada$ Esta configuración posee un filtro +/ después del transistor de conmutación En el segundo periodo de tiempo el transistor de conmutación se abre y la tensión de alimentación 8in desaparece y entonces al inductor genera una tensión inversa para poder mantener la corriente circulando a través de él$ Esto hace que el diodo se polarice en directa y cierre el circuito formado por inductor capacitor carga y diodo$
$iagraa es&ue/tico de una uente conutada
Fallas counes de una SMPS y sus soluciones
)$ =na de las fallas más comunes y frecuentes es el cruce !o cortocircuito# del transistor regulador o conmutador, provocado generalmente por un pico en la entrada de línea de 0/ o por la desvalori%ación de los filtros electrolíticos en primario de la fuente, por ello se recomienda el cambio o chequeo de los mismos, cada ve% que este se encuentre el transistor en corto$
&$ El capacitor de arranque, el cual se encuentra en un lugar donde se genera una temperatura elevada$ or esa ra%ón esos capacitores se secan y pierden capacidad$ En determinado momento la corriente de arranque no alcan%a para que comiencen las oscilaciones$ @eempla%ar capacitor$ 6$ or lo general, cuando se pone en cortocircuito, el mosfet circula una corriente muy intensa por el resistor shunt medidor de corriente de primario, Esa corriente debería quemar el fusible, pero en muchos casos se quema primero el resistor shunt$ ;$ -uente que requiere de varios pulsos de encendido para arrancar1 generalmente la falla se asocia a un capacitor electrolítico o un transistor asociado a alguna salida fuera de rango 3$ =na gran proporción de la fallas de esta fuente se debe al transformador de pulsos$ El fenómeno de esta falla no puede determinarse con eIactitud, pero las máquinas presentan el transistor mosfet en cortocircuito entre drenaje, fuente y compuerta. pero luego de cambiarlo y controlar el oscilador básico, la sección de medición y la de control se observa que la fuente sigue sin oscilar$ =n cambio del transformador vuelve las cosas a fojas cero y la fuente arranca sin inconvenientes$
-onclusión
En este trabajo pudimos comprender una gran variedad de cosas, e introducirnos en el área de las SMS o fuentes conmutadas en espa>ol, pudimos aprender que son, sus tipos, su uso su historia, además de sus topologías, anali%amos su diagrama en bloques y las partes que lo componen, investigamos las desventajas y ventajas sobre las fuentes lineales convencionales, pero la cosa no termino ahí, ya que también indagamos los derivados de las fuentes conmutadas y sus periféricos, este ha sido u n trabajo muy fructífero al nivel técnico en electrónica$
0i%liograa
Este trabajo pudo ser reali%ado gracias a las siguientes páginas que nos brindaron su información1
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i*ipedia, la enciclopedia libre. Ecured$com 0galisa$es
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/omunidadelectronicos$com Servepruebas$com
