Una fuente de alimentación es un dispositivo eléctrico que suministra energía a una o más cargas eléctricas. Su función principal es adaptar la energía eléctrica a la carga, convirtiendo la energía procedente de la fuente eléctrica en la corriente, tensión y frecuencia correspondientes que requiere la carga. Las fuentes de alimentación también protegen la carga suministrada al limitar la corriente de carga y desconectarla en caso de fallo. Estos dispositivos también modifican la potencia de salida para evitar el ruido electrónico y proporcionar corrección del factor de potencia.

En este artículo explicaremos los diferentes tipos de fuentes de alimentación y analizaremos por qué las fuentes de alimentación sin ventilador pueden ofrecer el mejor rendimiento.

Reguladores lineales y SMPS

Las fuentes de alimentación se pueden dividir en dos tipos principales: fuentes de alimentación reguladas linealmente y fuentes de alimentación conmutadas (SMPS).

Los reguladores lineales convierten la corriente alterna (CA) en una corriente continua (CC) estable. Utilizan un transformador para proporcionar aislamiento galvánico entre la entrada de CA de alta tensión y la salida de CC de baja tensión, para filtrar el ruido de la entrada y para reducir la tensión de entrada de CA que se rectificará en la tensión de salida de CC. Las fuentes de alimentación reguladas linealmente tienen una eficiencia baja (30-60 por ciento), lo que significa mayores pérdidas de energía y calor que disipar.

Las fuentes de alimentación conmutadas tienen una alta eficiencia (más del 80 por ciento) y un rendimiento avanzado. Las SMPS convierten la tensión de la red entrante en una tensión de CA de alta frecuencia, para luego reducirla a una tensión más baja mediante un pequeño transformador. La tensión se rectifica, filtra y regula a continuación para entregarse como una tensión de CC estable.

Las SMPS tienen un diseño más complejo y un coste más elevado en comparación con los reguladores lineales. Sin embargo, presentan numerosas ventajas frente a los reguladores lineales, entre ellas carcasas pequeñas y una eficiencia muy alta sin disipar cantidades excesivas de calor.

La importancia de la eficiencia de las fuentes de alimentación

La eficiencia de una fuente de alimentación es la relación porcentual entre la potencia total de salida y la potencia de entrada, normalmente especificada a plena carga y tensión de entrada nominal:

Por ejemplo, si la fuente de alimentación tiene una eficiencia del 50 por ciento y la potencia de carga solicitada es de 100W, la potencia total de entrada debe ser de 200W. El otro 50 por ciento de la potencia de entrada se desperdicia, principalmente en forma de calor, y debe disiparse adecuadamente para evitar dañar la unidad. Esto indica la importancia de las fuentes de alimentación de alta eficiencia. Presentan pérdidas significativamente menores, lo que significa que se mantienen más frías y consumen menos energía de la red para proporcionar la misma potencia de salida.

Los dispositivos de alimentación no tienen una eficiencia constante, ya que depende de las condiciones ambientales y de carga. Por lo general, las fuentes de alimentación alcanzan su máxima eficiencia cuando funcionan al 50 por ciento de la carga nominal. Las fuentes de alimentación tienen mayor eficiencia cuando se alimentan con 230V que con 110V de CA. Hoy en día, el mercado ofrece modelos avanzados capaces de operar con una eficiencia constantemente alta incluso en el rango del 50-100 por ciento de la carga nominal. Por ejemplo, el diagrama de la Figura 1 muestra la curva de eficiencia de la serie MEAN WELL UHP-2500 en función de la tensión de alimentación y la carga. 

No es posible alcanzar una eficiencia del 100 por ciento en una fuente de alimentación. Sin embargo, con un diseño avanzado y componentes adecuados, es posible lograr eficiencias elevadas (por ejemplo, la MEAN WELL UHP-2500 de la Figura 1 tiene una eficiencia de hasta el 96 por ciento). Las pérdidas en las fuentes de alimentación se deben a componentes pasivos y activos, y se producen más en las fuentes lineales que en las SMPS. Las pérdidas de potencia en las SMPS se producen principalmente en los dispositivos de conmutación (MOSFET y diodos). Otras pérdidas se deben a los condensadores y las bobinas (esto puede reducirse si se utilizan componentes avanzados de baja resistencia, que suelen ser costosos). Las pérdidas de los componentes pasivos incluyen las pérdidas en resistencias (I2R), las pérdidas en condensadores y las pérdidas en bobinas debidas a la inducción del núcleo y el devanado. Las pérdidas de los componentes activos se deben principalmente a los MOSFET y diodos, en forma de pérdidas de conducción y conmutación.

Aunque las SMPS pueden ser más costosas, su alta eficiencia permite ahorrar en costes eléctricos. También son más fiables, producen menos ruido y requieren menos refrigeración. Utilizan componentes de alta calidad, como dispositivos de conmutación, condensadores de uso intensivo e inductores con buenas características. Producen una mejor tensión de salida con bajo rizado, menos ruido y menos calor, y ofrecen una mejor regulación de tensión.

Métodos de refrigeración de fuentes de alimentación

Las fuentes de alimentación generan calor que podría dañar los componentes del circuito. Por ello, las fuentes de alimentación necesitan un sistema de refrigeración para disipar el exceso de calor. Estos son los métodos de conducción de calor o refrigeración más utilizados:

1. El flujo de aire natural es un método de refrigeración por convección simple en el que el aire fluye de forma natural y transfiere el calor fuera del dispositivo. El flujo de aire natural es una opción de refrigeración simple y de bajo coste que no incluye componentes mecánicos adicionales. Dado que este tipo de refrigeración tiene una baja capacidad de disipación de calor, las fuentes de alimentación que lo utilizan tienen un rango de temperatura de funcionamiento seguro limitado.
2. La refrigeración por aire forzado implica el uso de uno o más ventiladores para mejorar el flujo de aire natural, permitiendo temperaturas de funcionamiento más altas. Dado que consumen energía adicional, los ventiladores reducen la eficiencia de la fuente de alimentación. También requieren mantenimiento y sustituciones periódicas. Este tipo de refrigeración no resulta práctico para aplicaciones con espacio limitado.
3. Los disipadores de calor transfieren el calor mediante contacto directo con un componente más frío, que puede ser un disipador de calor (con aletas) o una placa fría (sin aletas). Un disipador de calor con aletas tiene una mayor superficie de contacto con el aire y, por lo tanto, permite una disipación de calor más rápida. A menudo se combina con la refrigeración por aire forzado para lograr una mejor disipación. Sin embargo, los disipadores de calor requieren más espacio, lo que limita su uso en algunas aplicaciones. Las placas frías son placas metálicas gruesas que se utilizan para conducir el calor fuera del dispositivo. Se utilizan en aplicaciones donde la simplicidad y el espacio son parámetros fundamentales.
4. La refrigeración líquida consiste en una placa fría con un tubo integrado por el que circula un líquido refrigerante en un circuito cerrado. El líquido ayuda a que la placa base se mantenga a una temperatura muy estable, haciendo que la transferencia de calor sea lo más eficiente posible. Al eliminar la necesidad de ventiladores, la refrigeración líquida no ocupa demasiado espacio. La refrigeración líquida ofrece una excelente disipación de calor, no genera ruido ni vibraciones, y aumenta la vida útil de la fuente de alimentación. Sin embargo, la refrigeración líquida es más costosa, ya que requiere un diseño más complejo. La refrigeración líquida se utiliza comúnmente en aplicaciones que generan mucho calor, como láseres industriales o estaciones de carga.

Las fuentes de alimentación refrigeradas por líquido pueden diseñarse con una potencia de salida muy elevada. Por ejemplo, las fuentes de alimentación refrigeradas por líquido de MEAN WELL, la serie PHP-3500, son capaces de suministrar hasta 3.500W. También cuentan con una función de reparto de corriente activo, que permite que hasta cuatro unidades en paralelo suministren hasta 14.000W.

El siguiente video contrasta la diferencia de temperatura entre la refrigeración líquida y la refrigeración por aire forzado de un MOSFET y un condensador. La temperatura es de 6 a 18°C más baja con la refrigeración líquida en comparación con la refrigeración por aire forzado.

Aunque son costosas, las fuentes de alimentación refrigeradas por líquido son la solución más eficaz para aplicaciones en las que la refrigeración por aire forzado no es adecuada. En muchas aplicaciones, debe evitarse la refrigeración por aire forzado, ya que añadir un ventilador a una fuente de alimentación reduce su fiabilidad, incrementa el coste, genera ruido e introduce complicaciones de mantenimiento.

Una fuente de alimentación sin ventilador (como la MEAN WELL UHP-2500 de la Figura 2 a continuación) evita los problemas derivados de los fallos de los ventiladores y reduce los costes de mantenimiento. Las fuentes de alimentación sin ventilador también son adecuadas para entornos que requieren un silencio absoluto.

Fuentes de alimentación y gestión de energía

La gestión de energía es una característica importante en todo sistema electrónico, ya que controla, regula y distribuye la alimentación de CC al sistema. La gestión de energía afecta a la fiabilidad, el rendimiento y el coste.

Las fuentes de alimentación avanzadas están equipadas con funciones de tensión y corriente programables (PV/PC), que permiten ajustar la tensión de salida entre el 50-120 por ciento y la corriente entre el 20-100 por ciento mediante una señal de control de CC externa. Además, pueden contar con protocolos de comunicación (por ejemplo, PMBus o CANBus) para lograr una fuente de alimentación inteligente. Por lo general, existen dos tipos de regulación de salida de fuentes de alimentación: interfaz de señal analógica externa e interfaz de control digital.

La tecnología de control por interfaz de señal analógica externa utiliza la tensión externa para controlar la tensión de salida de la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación analógicas son estables y fiables, pero tienen una flexibilidad limitada. Aunque el estado puede supervisarse, el control suele limitarse a una única reacción posible por parámetro. La entrada de tensión analógica externa suele estar en el rango de 1-5V. La corriente de salida puede ajustarse entre el 20 y el 100 por ciento de la corriente nominal aplicando una tensión externa. La Figura 3 muestra el diagrama de regulación de la corriente de salida mediante tensión de CC externa.

El control digital proporciona acceso a un alto nivel de información y permite una salida más flexible. La siguiente tabla muestra las ventajas del diseño digitalizado de fuentes de alimentación:

El protocolo de comunicación más utilizado para el control digital de fuentes de alimentación es PMBus (bus de gestión de energía). PMBus es un protocolo de gestión de energía de estándar abierto que simplifica el diseño y reduce la complejidad de los sistemas de alimentación controlados digitalmente. CANBus (red de área de controladores) es otro protocolo de comunicación. Puede ejecutar la mayoría de los comandos y funciones del protocolo PMBus; la principal diferencia entre ambos es el método de señalización. La elección entre CANBus y PMBus depende de las necesidades específicas de la aplicación. MEAN WELL ofrece modelos CANBus opcionales para productos que ya integran PMBus.

Las fuentes de alimentación con protocolo PMBus integrado permiten que el sistema final supervise y controle diversos parámetros operativos de la fuente de alimentación, como la tensión, la corriente y la temperatura. Las fuentes de alimentación sin ventilador combinadas con el protocolo PMBus mejoran considerablemente la fiabilidad a largo plazo y la flexibilidad de instalación, lo que permite sistemas finales más compactos e inteligentes. La PHP-3500, por ejemplo, admite PMBus con una velocidad de bus máxima de 100kHz, lo que permite la lectura de información, la supervisión del estado y el ajuste de la salida.

Para obtener más información sobre las ventajas de las fuentes de alimentación sin ventilador y la gestión de energía, consulta las fuentes de alimentación MEAN WELL UHP y PHP.

 

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