9.2: Circuitos de fuente de alimentación

Hay tres tipos principales de fuentes de alimentación: no reguladas (también llamadas fuerza bruta), reguladas lineales y conmutación. Un cuarto tipo de circuito de fuente de alimentación llamado el regulado por ondulación, es un híbrido entre los diseños de “fuerza bruta” y “conmutación”, y amerita una subsección a sí mismo.

No Regulado

Una fuente de alimentación no regulada es el tipo más rudimentario, que consiste en un transformador, rectificador y filtro de paso bajo. Estas fuentes de alimentación suelen exhibir una gran cantidad de voltaje de ondulación (es decir, inestabilidad que varía de manera rápida) y otro “ruido” de CA superpuesto a la alimentación de CC. Si el voltaje de entrada varía, el voltaje de salida variará en una cantidad proporcional. La ventaja de un suministro no regulado es que es barato, simple y eficiente.

Lineal regulado

Un suministro lineal regulado es simplemente una fuente de alimentación de “fuerza bruta” (no regulada) seguida de un circuito transistor que opera en su modo “activo” o “lineal”, de ahí el nombre regulador lineal. (Obvio en retrospectiva, ¿no?) Un regulador lineal típico está diseñado para emitir un voltaje fijo para una amplia gama de voltajes de entrada, y simplemente disminuye cualquier exceso de voltaje de entrada para permitir un voltaje de salida máximo a la carga. Este exceso de caída de voltaje da como resultado una disipación de potencia significativa en forma de calor. Si el voltaje de entrada es demasiado bajo, el circuito del transistor perderá la regulación, lo que significa que no podrá mantener el voltaje estable. Solo puede bajar el exceso de voltaje, no compensar una deficiencia de voltaje de la sección de fuerza bruta del circuito. Por lo tanto, hay que mantener el voltaje de entrada al menos de 1 a 3 voltios más alto que la salida deseada, dependiendo del tipo de regulador. Esto significa que la potencia equivalente de al menos 1 a 3 voltios multiplicada por la corriente a plena carga será disipada por el circuito regulador, generando mucho calor. Esto hace que las fuentes de alimentación lineales reguladas sean bastante ineficaces. Además, para deshacerse de todo ese calor tienen que usar disipadores de calor grandes que los hacen grandes, pesados y caros.

Conmutación

Una fuente de alimentación conmutada regulada (“switcher”) es un esfuerzo para darse cuenta de las ventajas tanto de la fuerza bruta como de los diseños regulados lineales (voltaje de salida pequeño, eficiente y barato, pero también “limpio” y estable). Las fuentes de alimentación conmutadas funcionan según el principio de rectificar el voltaje de la línea de alimentación de CA entrante en CC, reconvertirlo en CA de onda cuadrada de alta frecuencia a través de transistores operados como interruptores de encendido/apagado, escalonando ese voltaje de CA hacia arriba o hacia abajo usando un transformador ligero, luego rectificando la CA del transformador salida a CC y filtrado para salida final. La regulación de voltaje se logra alterando el “ciclo de trabajo” de la inversión de CC a CA en el lado primario del transformador. Además de un peso más ligero debido a un núcleo de transformador más pequeño, los conmutadores tienen otra tremenda ventaja sobre los dos diseños anteriores: este tipo de fuente de alimentación se puede hacer tan totalmente independiente del voltaje de entrada que puede funcionar en cualquier sistema de energía eléctrica del mundo; estos se llaman “universales” fuentes de alimentación.

La desventaja de los switchers es que son más complejos, y debido a su funcionamiento tienden a generar mucho “ruido” de CA de alta frecuencia en la línea eléctrica. La mayoría de los conmutadores también tienen un voltaje de ondulación significativo en sus salidas. Con los tipos más baratos, este ruido y ondulación pueden ser tan malos como para una fuente de alimentación no regulada; tales conmutadores de gama baja no son inútiles, porque aún proporcionan un voltaje de salida promedio estable, y existe la capacidad de entrada “universal”.

Los conmutadores caros no tienen ondulaciones y tienen ruido casi tan bajo como para algunos tipos lineales; estos conmutadores tienden a ser tan caros como los suministros lineales. La razón para usar un conmutador costoso en lugar de un buen lineal es si necesita compatibilidad de sistema de alimentación universal o alta eficiencia. La alta eficiencia, el peso ligero y el tamaño pequeño son las razones por las que las fuentes de alimentación conmutadas se utilizan casi universalmente para alimentar circuitos de computadoras digitales.

Ripple regulado

Una fuente de alimentación regulada por ondulación es una alternativa al esquema de diseño regulado lineal: una fuente de alimentación de “fuerza bruta” (transformador, rectificador, filtro) constituye el “extremo frontal” del circuito, pero un transistor operado estrictamente en sus modos de encendido/apagado (saturación/corte) transfiere la energía de CC a un condensador grande como necesario para mantener el voltaje de salida entre un punto de ajuste alto y bajo. Al igual que en los conmutadores, el transistor en un regulador de ondulación nunca pasa corriente mientras está en su modo “activo” o “lineal” durante un período de tiempo sustancial, lo que significa que muy poca energía se desperdiciará en forma de calor. Sin embargo, el mayor inconveniente de este esquema regulatorio es la necesaria presencia de algún voltaje de ondulación en la salida, ya que el voltaje de CC varía entre los dos puntos de ajuste de control de voltaje. Además, este voltaje de ondulación varía en frecuencia dependiendo de la corriente de carga, lo que dificulta el filtrado final de la alimentación de CC.

Los circuitos reguladores de ondulación tienden a ser bastante más simples que los circuitos del conmutador, y no necesitan manejar los voltajes de línea de alta potencia que los transistores conmutadores deben manejar, lo que los hace más seguros para trabajar.