Cómo funcionan las fuentes de alimentación de CC programables: una guía completa

La corriente continua (CC) es una corriente eléctrica unidireccional, lo que significa que el flujo de carga siempre ocurre en la misma dirección. Por el contrario, la corriente alterna (CA) cambia la dirección del flujo de carga, creando un movimiento periódico de ida y vuelta. La corriente alterna es más fácil de generar y más eficiente. También representa el tipo de corriente eléctrica producida por la mayoría de las centrales eléctricas.

Corriente continua Las fuentes de alimentación son un elemento básico en varios campos, desde la investigación y el desarrollo hasta la fabricación y las aplicaciones de consumo. Estos dispositivos convierten la corriente alterna de los tomacorrientes de pared en CC, ofreciendo energía a una amplia gama de dispositivos y sistemas electrónicos.

En condiciones ideales, una fuente de alimentación de corriente continua proporciona un voltaje CC constante, independientemente de la corriente de carga. Sin embargo, ningún producto electrónico proporciona un voltaje constante en todas las condiciones y circunstancias. En cambio, el voltaje de salida presenta fluctuaciones, al igual que los flujos de corriente.

La clave para un diseño eficaz de fuentes de alimentación es comprender cómo utilizar soluciones de fuentes de alimentación de CC en entornos del mundo real. En ese sentido, únase a nosotros mientras exploramos preguntas como "¿Qué es una fuente de alimentación de CC?" y "¿Cómo funciona una fuente de alimentación de CC?" También examinaremos soluciones programables como Fuentes de alimentación CC de rango automático y su impacto en el mantenimiento de niveles de voltaje consistentes.

¿Qué es una fuente de alimentación de CC?

Una fuente de alimentación de CC es un dispositivo electrónico que convierte la energía eléctrica de una forma a otra, específicamente de corriente alterna en una salida de corriente continua estable y controlada. Los cargadores de teléfono, los adaptadores de CA a CC y otras fuentes de alimentación para dispositivos que funcionan con baterías (por ejemplo, computadoras portátiles, aspiradoras recargables) son algunos ejemplos comunes de sistemas de suministro de CC.

Las fuentes de alimentación de CC se pueden agrupar en una de dos categorías amplias: unidireccionales y bidireccionales. Un sistema unidireccional sólo convierte un tipo de energía eléctrica en otro tipo. En este caso, convierten la energía CA en energía CC.

Un bidireccional Bidireccional es capaz de conmutar fuentes de alimentación. En otras palabras, puede tomar energía CA y convertirla en CC o viceversa.

¿Cómo funciona una fuente de alimentación de CC?

Una fuente de alimentación de CC funciona rectificando primero la alimentación de CA entrante a alimentación de CC si se parte de una fuente de CA. Este proceso implica la conversión de voltaje de CA a voltaje de CC, generalmente mediante rectificación de diodo. Una vez que el rectificador completa este proceso, la alimentación de CC aún puede contener fluctuaciones u ondulaciones, que se suavizan mediante etapas de filtrado para producir una salida de CC más estable.

Finalmente, una etapa de regulación ajusta la salida para mantener un nivel de voltaje o corriente constante a pesar de las variaciones en la carga o el voltaje de entrada. Esto se puede lograr mediante una regulación lineal, que disipa el exceso de energía en forma de calor. También se puede lograr de manera más eficiente mediante la regulación de conmutación, que utiliza técnicas de conmutación de alta frecuencia para controlar la energía entregada a la carga.

Figura 1. Diagrama de bloques genérico de la fuente de alimentación de CC

Desviación de la producción ideal

Las salidas de la fuente de alimentación de CC no siempre ofrecen la salida precisa programada por el usuario. El fabricante definirá un rango de precisión para la salida de CC, que se expresa como precisión de salida o visualización. Varios factores pueden contribuir a las desviaciones del producto ideal, incluidos los siguientes:

Temperatura

Las temperaturas ambientales tienen un impacto importante en las fuentes de alimentación de CA y CC. Cuando la temperatura externa cae por debajo del rango de temperatura para el que el fabricante calibró el suministro, la salida de voltaje puede disminuir.

Por lo tanto, debe comprender la temperatura de funcionamiento prevista para su equipo. Esto es especialmente importante en aplicaciones industriales de alto riesgo donde el tiempo de inactividad inesperado o la degradación del rendimiento pueden afectar negativamente a la rentabilidad.

Cargas de alta corriente

Cuando las cargas de corriente son altas, hay más caídas de voltaje debido a las resistencias internas de los diferentes componentes, incluidos el inversor, el inductor, el circuito, el transistor y el capacitor. Es por eso que debe familiarizarse con la potencia nominal de su equipo y mantenerse alejado de los extremos superiores de ese umbral.

En respuesta a estos factores, muchos diseñadores de sistemas utilizan Fuentes de alimentación de rango automático, que están diseñados para adaptarse a la variación natural de las corrientes. Con los sistemas tradicionales, las fuentes de alimentación solo ofrecen la máxima potencia de salida a voltaje de escala completa. Esto significa que solo pueden producir resultados que sean consistentes con un valor específico.

Por el contrario, las soluciones de rango automático tienen un rango de voltaje. Estas fuentes de CC programables mantienen la potencia total en una combinación más amplia de voltajes y corrientes de salida. Como tales, pueden adaptarse a diferentes voltajes y proporcionar una mejor estabilidad y rendimiento.

Comprensión de las topologías de suministro de energía

En términos generales, existen dos tipos de topologías de fuente de alimentación: lineal o conmutada. Cada topología tiene su propio método de operación y características únicas.

Fuente de alimentación lineal

Un suministro de energía lineal es como un flujo constante y constante de agua desde un depósito hasta su casa, donde el nivel (voltaje) del depósito es mucho más alto de lo que necesita en su grifo. Para que fluya la cantidad correcta de agua por el grifo, se utiliza una válvula (regulador) para reducir el flujo a un nivel utilizable.

El método lineal proporciona un flujo muy limpio y estable sin mucha variación de ruido. Sin embargo, no es muy eficiente porque se desperdicia mucha energía en el proceso de reducir el flujo al nivel correcto, principalmente perdiéndose en forma de calor. Como resultado, es más adecuado para aplicaciones de bajo voltaje.

Fuente de alimentación conmutada

Por otro lado, una fuente de alimentación conmutada funciona más como un sistema de bomba que se enciende y apaga rápidamente, llenando un tanque en su casa al nivel óptimo. Solo bombea la cantidad de agua (energía) que necesitas, lo que lo hace mucho más eficiente que dejar que el exceso de agua fluya y se desperdicie.

El rápido funcionamiento de encendido y apagado (conmutación) le permite ajustarse a las necesidades energéticas de manera eficiente, con menos desperdicio de energía en forma de calor. Esto da como resultado eficiencias en el rango del 90%. Comparativamente, las eficiencias de las fuentes de alimentación lineales están por debajo del 50%.

La desventaja del cambio es que es mucho más ruidoso. También es más complejo construir y administrar estos sistemas. A pesar de la complejidad y el ruido, su eficiencia, tamaño más pequeño y peso más ligero lo hacen preferido para aplicaciones que necesitan mucha potencia.

Diferentes versiones de fuentes de alimentación de CC

Existen varias variaciones de soluciones de suministro de energía de CC, que incluyen:

Benchtop

Una fuente de alimentación de CC de sobremesa está diseñada para entornos educativos y de laboratorio. Como sugiere el nombre, se usa a menudo en bancos de trabajo y ofrece una variedad de salidas que se pueden ajustar manualmente mediante una interfaz digital o una perilla de control. Algunos modelos pueden incluir funciones avanzadas como secuencias programables u opciones de control remoto.

La principal ventaja de las fuentes de alimentación de sobremesa es su versatilidad y facilidad de uso, lo que las hace ideales para experimentos, pruebas y creación de prototipos. También proporcionan un control preciso sobre los parámetros de salida y su diseño robusto puede soportar usos variados.

Modular

Las fuentes de alimentación modulares constan de un marco o chasis que puede albergar varios módulos de fuente de alimentación. Cada módulo puede tener características diferentes y los usuarios tienen la capacidad de configurar o ampliar el sistema agregando o cambiando módulos.

La flexibilidad es una ventaja significativa de los sistemas modulares. Se pueden personalizar para satisfacer necesidades específicas, lo que los hace adecuados para aplicaciones complejas donde los requisitos pueden cambiar con el tiempo. También ahorran espacio y pueden ser más rentables que tener varias fuentes de alimentación independientes.

Programable

Las fuentes de alimentación programables le permiten configurar y controlar los parámetros de salida a través del software, ya sea en el propio dispositivo o mediante una interfaz de computadora. Pueden almacenar múltiples perfiles para diferentes pruebas o dispositivos y pueden incluir características como secuencias dependientes del tiempo, modos de corriente o voltaje constante y detección remota.

Sin embargo, el principal beneficio es su capacidad para automatizar pruebas y procedimientos, lo que puede agregar valor a sus flujos de trabajo de pruebas de producción y al mismo tiempo promover una mejor garantía de calidad. Los suministros programables ofrecen alta eficiencia y flexibilidad para adaptarse a una variedad de tareas sin intervención manual.

Otros tipos

Además de estos, existen tipos especializados de fuentes de alimentación de CC, como fuentes de alto voltaje, bajo ruido o fuentes de aplicaciones específicas diseñadas para industrias o dispositivos particulares. Cada tipo satisface necesidades específicas y ofrece una combinación de funciones, eficiencia y control para satisfacer las demandas de diferentes usuarios y aplicaciones.

Figura 2. Tres tipos de fuentes de alimentación de CC

Control de la salida CC

Controlar la salida de CC de las fuentes de alimentación implica ajustar y estabilizar el voltaje, la corriente y, a veces, otros parámetros, como la potencia o la resistencia, para satisfacer las necesidades específicas de un dispositivo o aplicación. Existen varios métodos para controlar la salida de CC, que incluyen:

Manual

Los sistemas analógicos y las fuentes de alimentación básicas suelen tener diales o perillas que le permiten ajustar manualmente el voltaje o la corriente de salida. Si bien es sencillo, este método requiere que usted establezca y supervise cuidadosamente los valores.

Recursos

Las fuentes de alimentación más avanzadas proporcionan interfaces digitales con botones o pantallas táctiles, lo que le permite configurar parámetros de salida precisos. Los sistemas de control digital suelen ofrecer la capacidad de almacenar y recuperar configuraciones, lo que facilita las tareas repetitivas.

Programable

Las fuentes de alimentación programables son fuentes de alimentación controladas digitalmente, que ofrecen niveles de voltaje, corriente y frecuencia precisos y personalizables, diseñados para cumplir con requisitos específicos de potencia y control.

Bucles de retroalimentación

Muchas fuentes de alimentación utilizan bucles de retroalimentación para mantener salidas estables y minimizar el riesgo de pérdida de energía. Los sensores monitorean los parámetros de salida y envían esta información al sistema de control, que ajusta la fuente de alimentación para mantener los valores establecidos.

Independientemente de la solución que elija, debe mantener un control preciso sobre las salidas de CC. Hacerlo le permite:

• Proteger componentes
• Garantizar el rendimiento
• Promover la eficiencia energética
• Mejorar la seguridad

Teniendo esto en cuenta, debe implementar un mecanismo de control de salida coherente con su nivel de habilidad y la complejidad del caso de uso previsto.

Figura 3. Etapa de salida de la fuente de alimentación que muestra el control de voltaje (no muestra el filtrado de salida)

Supervisar el voltaje en los terminales de salida de la fuente de alimentación de CC es suficiente cuando la carga consume una pequeña cantidad de corriente. La caída de tensión en los cables conductores es insignificante con corrientes de carga pequeñas. Sin embargo, con corrientes de carga grandes, la caída de voltaje a través de los cables conductores puede ser sustancial y el voltaje aplicado a la carga es más bajo que el voltaje de salida programado:

V_Carga V =_Suministro – 2·V_Lidera

Podemos corregir el voltaje más bajo en la carga si el suministro de CC está diseñado con conexiones de 4 cables en las que dos cables suministran energía a la carga y dos cables detectan el voltaje de carga. La figura 4 muestra una conexión de 4 hilos a una carga.

Figura 4. Etapa de salida que muestra la detección local y remota

El circuito de detección de voltaje de salida tiene una impedancia de entrada alta, por lo que la corriente consumida por este circuito es extremadamente pequeña. Con una caída de voltaje insignificante en los cables de detección, el circuito de detección de voltaje mide el voltaje real en la carga y devuelve ese voltaje al amplificador de potencia de la fuente de alimentación. El amplificador aumenta su voltaje de salida en 2·VLead para compensar la caída de voltaje en los cables. Esta función se conoce como detección remota y garantiza que la salida en la carga tenga el voltaje deseado. Cuando no se utiliza una configuración de 4 hilos, el regulador utiliza detección local, que mantiene el voltaje de salida en el voltaje de los terminales de salida. El uso de una conexión de 4 hilos garantiza una mayor precisión del voltaje en la carga.

Exploración de opciones de características de salida

Las fuentes de alimentación suministran energía CC mediante diferentes métodos. Uno de los enfoques más comunes es la característica IV, que es rectangular. Puede configurar la salida del suministro en cualquier combinación de valores de corriente y voltaje que se encuentren dentro del rectángulo máximo de corriente y voltaje nominal. Sin embargo, solo proporcionará potencia total al voltaje máximo y al punto de ajuste de corriente máximo.

Un segundo método, más sofisticado, se conoce como autorango. Sistemas con capacidades de rango automático Utilice una combinación de salida hiperbólica y rectangular. Como resultado, el sistema puede suministrar una gama más amplia de voltaje de salida y corriente de carga, sin dejar de proporcionar plena potencia.

A través del rango automático, puede ofrecer una potencia total en más circunstancias, lograr una mayor flexibilidad y desbloquear ahorros de costos.

Figura 5. Comparación de una característica de salida rectangular con una característica de salida de rango automático

Mejoras en el rendimiento de la fuente de alimentación

Para que las fuentes de alimentación sean más versátiles y eficientes, puede implementarlas con funciones avanzadas. Dos ejemplos incluyen la generación de formas de onda y múltiples interfaces de control. La generación de formas de onda es el proceso de crear ondas eléctricas en diferentes formas para adaptarse a casos de uso específicos.

Muchas fuentes de alimentación están equipadas con interfaces digitales y analógicas. Esto significa que puede conectarlos fácilmente a computadoras, sistemas de control automatizados como controladores lógicos programables (PLC) y otros instrumentos electrónicos.

Las fuentes de alimentación bidireccionales son mejoras particularmente útiles, ya que pueden absorber energía de regreso a la red eléctrica de CA y lograr hasta un 96% de eficiencia. Estas soluciones se conocen como instrumentos regenerativos. La desventaja de los instrumentos regenerativos, los PLC y los sistemas de forma de onda es que implementarlos requiere diseños más complejos.

Aplicaciones de fuentes de alimentación de CC programables

Toda industria que incorpora electrónica a sus productos depende de fuentes de alimentación de corriente continua. Los ingenieros de diseño aprovechan los suministros de CC para desarrollar nuevos productos y circuitos. En lo que respecta a las pruebas, los ingenieros utilizan fuentes de alimentación de CC para garantizar el rendimiento de los productos fabricados antes de ponerlos a disposición de los consumidores.

Además, los equipos de ingeniería de diseño y pruebas a menudo simulan productos utilizando fuentes de alimentación de corriente continua programables. Algunos de los elementos que simulan incluyen baterías, pilas de combustible y paneles solares. Las unidades bidireccionales actúan como fuente para simular un cargador de batería o batería. También pueden utilizar el suministro para simular una batería descargada o el circuito que alimentará una célula solar.

Estos son sólo algunos ejemplos de la versatilidad y utilidad de las fuentes de alimentación de corriente continua programables.

Potenciando sus proyectos con fuentes de alimentación de CC programables

Seleccionar la fuente de alimentación de CC programable adecuada puede afectar significativamente el éxito de sus proyectos. Al comprender sus opciones, podrá elegir la solución que mejor se adapte a sus necesidades.

Si desea obtener más información sobre las soluciones programables, programe una demostración en línea con tecnología EA. Cuando esté listo para realizar su pedido, solicitar presupuesto en línea. Estaremos encantados de satisfacer sus necesidades de suministro de energía de corriente continua con nuestras soluciones de última generación.