En artículos anteriores, analizamos componentes electrónicos pasivos como resistencias, condensadores, inductores y transformadores. Los componentes pasivos son particularmente útiles en el diseño de varios circuitos analógicos.
La verdadera diversión de la electrónica moderna comienza con los semiconductores y la electrónica digital. La electrónica se ocupa de las señales (en forma de voltaje o corriente) y del procesamiento de señales por componentes y circuitos. La electrónica de semiconductores es posible procesando señales electrónicas como valores binarios (0 y 1, o bajo y alto). Esta aplicación de la electrónica semiconductora para procesar señales como valores binarios conduce a la implementación de la lógica booleana en forma de electrónica digital. Así comenzó el uso de la electrónica para la 'informática'. Pronto, ingenieros e investigadores desarrollaron formas de medir diversas cantidades físicas, convirtiéndolas en señales eléctricas analógicas y digitalizando estas señales analógicas en valores digitales. También desarrollaron formas de convertir señales digitales en señales eléctricas analógicas equivalentes. Ahora, las computadoras también pueden interactuar y responder al mundo físico.
La mayoría de la electrónica moderna se ocupa de la “computación electrónica” y sus aplicaciones en el mundo real. La informática electrónica, combinada con tecnologías de visualización y dispositivos electrónicos de entrada/salida, conduce al desarrollo de computadoras de uso general. La informática electrónica, combinada con diversas tecnologías de la comunicación, conduce al desarrollo de las tecnologías de telecomunicaciones, televisión e Internet. La informática electrónica combinada con sensores y comunicaciones inalámbricas conduce al desarrollo de dispositivos electrónicos móviles y portátiles. La informática electrónica combinada con sensores y actuadores conduce al desarrollo de aplicaciones como sistemas integrados, robótica y automatización.
Pero antes de comenzar el viaje interminable de los semiconductores y la electrónica digital, será mejor tener algunos conocimientos básicos sobre fuentes de alimentación. Es la fuente de alimentación que da vida a cualquier circuito o dispositivo electrónico. Cada circuito o dispositivo electrónico necesita esencialmente tener una sección de suministro de energía o puede necesitar estar conectado como una carga a un circuito de suministro de energía externo.
La fuente de energía eléctrica pueden ser líneas de transmisión eléctrica (red eléctrica), sistemas electromecánicos (alternadores y generadores), energía solar o dispositivos de almacenamiento como celdas y baterías. Las fuentes de alimentación son convertidores de potencia que convierten la energía eléctrica de una fuente en voltaje, corriente y frecuencia adecuados para un circuito de carga. La fuente de energía eléctrica puede ser AC o DC. Al igual que los generadores y la red eléctrica, la electricidad proporciona energía CA, mientras que las baterías y los dispositivos solares proporcionan energía CC. Un circuito de suministro de energía puede recibir energía de una fuente de CA o CC y generar energía de CA o CC convertida para adaptarse a una carga. Por lo tanto, los circuitos de suministro de energía se pueden clasificar como fuentes de CA a CA, de CA a CC, de CC a CC y de CC a CA.
Varias fuentes de alimentación de CA a CA incluyen fuentes de CA variables, transformadores de aislamiento y cambiadores de frecuencia. Las fuentes de alimentación de CA a CC son las más comunes. Algunas de las fuentes de alimentación de CA a CC incluyen fuentes de alimentación de CC lineales no reguladas, fuentes de alimentación de CC reguladas linealmente (fuentes de alimentación de banco), fuentes de alimentación reguladas conmutadas y fuentes de alimentación reguladas por ondulación. Las fuentes de alimentación basadas en baterías, las fuentes de energía solar y los convertidores de CC a CC son ejemplos de fuentes de alimentación de CC a CC. Las fuentes de alimentación basadas en baterías y las fuentes de energía solar se utilizan para alimentar directamente circuitos electrónicos, mientras que los convertidores de CC a CC se utilizan generalmente para convertir la CC de entrada en diferentes niveles para alimentar diferentes circuitos en el mismo dispositivo, en lugar de utilizar diferentes CA a CC. fuentes para obtener diferentes niveles de voltaje/corriente. Los inversores, generadores y UPS son fuentes de energía de CC a CA de uso común.
Fuente de alimentación de CA variable
Las fuentes de alimentación de CA variables están diseñadas mediante transformadores ajustables o autotransformadores. Se utilizan para convertir niveles de voltaje de CA a CA. Se puede utilizar un transformador con múltiples devanados o derivaciones para diseñar dicha fuente de alimentación; de lo contrario, se puede utilizar un autotransformador ajustable. Estos suministros convierten los niveles de corriente y voltaje de CA mientras la frecuencia de la fuente de alimentación permanece sin cambios.
Cambiadores de frecuencia
Los cambiadores de frecuencia se utilizan para convertir la frecuencia de la alimentación de CA. Estos pueden diseñarse utilizando dispositivos electromecánicos como un conjunto motor-generador o con la ayuda de un conjunto rectificador-inversor. El rectificador primero convierte CA en CC y luego el inversor convierte CC nuevamente en CA de diferentes frecuencias.
Transformadores de aislamiento
Los transformadores de aislamiento se utilizan para alimentación de CA a CA cuando se requiere una adaptación de impedancia entre la fuente de alimentación y el circuito de carga. Los transformadores de aislamiento generalmente no convierten los niveles de voltaje o la frecuencia de la fuente de alimentación. Son útiles para conectar circuitos balanceados y desequilibrados.
Estos transformadores de aislamiento se utilizan para aumentar o reducir el voltaje mientras mantienen los circuitos principales y de salida aislados mediante un aislamiento reforzado con certificación CE. (Imagen: Transformador de señal)
Fuente de alimentación lineal no regulada
Las fuentes de alimentación lineales no reguladas son fuentes de alimentación simples de CA a CC. Están diseñados utilizando un transformador reductor, un rectificador, un condensador de filtro y una resistencia de purga. Primero, un transformador convierte el voltaje de línea al nivel de voltaje de CA requerido. El voltaje de CA reducido luego se convierte en voltaje de CC usando un rectificador de media onda o de onda completa. El rectificador está diseñado con diodos. La corriente continua pulsante del rectificador se suaviza mediante condensadores de filtro. Se puede conectar una resistencia de purga en paralelo al condensador del filtro para protección.
Las fuentes de alimentación no reguladas son sencillas y duraderas. Sin embargo, su voltaje de salida puede variar debido a la variación en el voltaje de entrada o la corriente de carga. Entonces estos no son muy confiables. Además, sólo pueden diseñarse para producir tensión y corriente fijas.
Fuente de alimentación regulada lineal
Las fuentes de alimentación reguladas linealmente son fuentes de alimentación de CA a CC. Son iguales que las fuentes de alimentación no reguladas (fuerza bruta), excepto que utilizan un circuito de transistor que opera en una región activa o lineal en lugar de la resistencia de purga. Esta etapa de transistor activo permite la salida a diferentes niveles precisos de voltaje CC. Hay varios circuitos integrados reguladores de voltaje disponibles que tienen un circuito de transistor activo integrado. Las fuentes de alimentación reguladas linealmente son estables, seguras, fiables y sin ruido. Hay circuitos integrados reguladores de voltaje disponibles para una amplia gama de voltajes de entrada y salida y producen voltajes de CC fijos. Las principales desventajas de estos suministros son su coste, tamaño y eficiencia energética. Estas fuentes pierden mucha energía debido a la disipación de energía y pueden requerir el uso de un disipador de calor con circuitos integrados reguladores.
La fuente de alimentación lineal de las fuentes de alimentación Acopian (arriba) es diez veces más grande y más pesada que una fuente conmutada comparable (abajo) que también es de Acopian, pero la unidad lineal tiene atributos beneficiosos que la fuente conmutada no puede igualar.
Cambio de fuente de alimentación regulada
Las fuentes de alimentación conmutadas reguladas son fuentes de alimentación complejas de CA a CC que tienden a combinar las ventajas de las fuentes de alimentación reguladas y no reguladas. En SMPS, el voltaje de línea se rectifica a CC y luego se convierte nuevamente a onda cuadrada de CA con la ayuda de transistores de conmutación. Esta onda cuadrada de alta frecuencia luego se reduce o intensifica y luego se rectifica nuevamente. El voltaje CC rectificado se filtra antes de suministrarse a una carga.
Fuente de alimentación regulada por ondulación
La fuente de alimentación regulada por ondulación es una variación mejorada de la fuente de alimentación de CA a CC no regulada. Está diseñado combinando una fuente de alimentación no regulada con un circuito de transistores que opera en la región de saturación. El circuito de transistores transfiere energía CC a un condensador para mantener los niveles de voltaje. La principal ventaja del suministro regulado por ondas es su eficiencia energética.
Fuentes de alimentación reguladas ajustables
Las fuentes de alimentación reguladas linealmente se pueden modificar para proporcionar una gama de voltajes ajustables utilizando una resistencia variable en la etapa final. La resistencia variable puede reducir el voltaje de salida a valores ajustables. Una fuente de alimentación ajustable de este tipo puede entonces proporcionar tensiones en el intervalo desde cero hasta la tensión máxima regulada por la fuente. Las fuentes de alimentación simétricas reguladas linealmente también se pueden modificar para suministrar voltajes en polaridad negativa.
Baterías y fuentes de energía solar.
Las baterías, celdas y paneles solares proporcionan energía CC. La energía de los dispositivos de almacenamiento o de los paneles solares primero debe filtrarse para eliminar las ondas pulsantes. Luego se puede regular a los niveles de voltaje de CC deseados utilizando circuitos integrados reguladores de voltaje. Si es necesario aumentar la tensión de alimentación de una batería o de un panel solar, esto se puede hacer utilizando transistores como amplificadores.
Convertidores de CC a CC
Los convertidores CC-CC se utilizan para aumentar o reducir los voltajes CC. Los convertidores de CC a CC pueden ser de tipo semiconductor, electromecánico o electroquímico. Los SMPS de CC a CC, como el convertidor push-pull, el convertidor reductor, el convertidor elevador y el convertidor reductor-elevador, son algunos ejemplos de convertidores de CC a CC de tipo semiconductor. Estas fuentes se utilizan generalmente para convertir CC (rectificada de la red eléctrica u otra fuente de CA) para proporcionar diferentes niveles de CC, en lugar de utilizar muchas fuentes de CA a CC en un solo dispositivo.
Un ejemplo de una fuente de alimentación CC-CC de 2 W en SMD (Imagen: Recom).
Fuentes de alimentación de CC a CA
Este tipo de fuentes de alimentación se utilizan generalmente como respaldo de energía. Los inversores, UPS y generadores son ejemplos de tales sistemas de suministro de energía.
Los aficionados y los ingenieros electrónicos suelen utilizar fuentes de alimentación reguladas linealmente y fuentes de alimentación de batería. Otros tipos de fuentes de alimentación generalmente se diseñan y producen para aplicaciones o circuitos específicos. Algunos circuitos pueden requerir el diseño de una fuente de alimentación mediante paneles solares.
Para los principiantes, siempre es conveniente comenzar con una fuente de alimentación regulada linealmente que proporcione voltajes de CC de uso común, como 12 V, 9 V, 5 V y 3 V. Para circuitos portátiles, se pueden lograr los mismos voltajes utilizando suministros regulados basados en baterías. Los suministros regulados basados en baterías pueden requerir el reemplazo de la batería a intervalos regulares. Por lo tanto, una fuente de alimentación regulada linealmente que proporcione niveles de voltaje de CC comúnmente utilizados es la mejor para crear prototipos y probar circuitos electrónicos. Los circuitos de producción pueden entonces alimentarse mediante baterías o circuitos basados en paneles solares, si es necesario.
En el próximo artículo hablaremos de pilas y baterías.