{"id":4619,"date":"2024-05-13T01:44:34","date_gmt":"2024-05-13T01:44:34","guid":{"rendered":"https:\/\/www.hebaiele.com\/?p=4619"},"modified":"2025-04-23T03:19:32","modified_gmt":"2025-04-23T03:19:32","slug":"how-does-a-switching-power-supply-work","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.hebaiele.com\/es\/how-does-a-switching-power-supply-work\/","title":{"rendered":"Conceptos b\u00e1sicos: \u00bfC\u00f3mo funciona una fuente de alimentaci\u00f3n conmutada?"},"content":{"rendered":"

Prefacio<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Una fuente de alimentaci\u00f3n conmutada, tambi\u00e9n llamada fuente de alimentaci\u00f3n conmutada (SMPS), es un dispositivo electr\u00f3nico basado en un regulador de conmutaci\u00f3n que convierte la energ\u00eda el\u00e9ctrica de forma eficiente. A diferencia de las fuentes de alimentaci\u00f3n lineales, que siempre est\u00e1n ajustando la tensi\u00f3n de entrada, las fuentes de alimentaci\u00f3n conmutadas convierten la tensi\u00f3n de CA en tensi\u00f3n de CC con gran eficacia y velocidad, lo que resuelve el problema de la escasa eficiencia energ\u00e9tica. Este tipo de fuente es imprescindible en dispositivos que van desde la electr\u00f3nica de consumo hasta los sistemas industriales, y es una fuente de alimentaci\u00f3n fundamental del mundo moderno.<\/p>\n\n\n\n

Componentes fundamentales de una fuente de alimentaci\u00f3n conmutada<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
\"c\u00f3mo<\/figure>\n\n\n\n

Cada fuente de alimentaci\u00f3n conmutada incluye varios componentes clave que trabajan juntos para convertir la energ\u00eda de manera eficiente.<\/p>\n\n\n\n

Rectificador<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El rectificador realiza la conversi\u00f3n de CA a CC. En una fuente de alimentaci\u00f3n conmutada (SPS) se suele emplear un puente rectificador, que est\u00e1 formado por cuatro diodos organizados en una configuraci\u00f3n de puente. Esta disposici\u00f3n hace que la corriente fluya en una direcci\u00f3n aunque la entrada sea CA, convirtiendo as\u00ed la CA en CC pulsante. La salida en esta etapa suele tener una fluctuaci\u00f3n de alta frecuencia que tiene que ser suavizada a\u00fan m\u00e1s por los filtros posteriores.<\/p>\n\n\n\n

Filtro de entrada o filtro EMI<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El filtro de entrada o filtro EMI es el componente principal para suprimir las perturbaciones de alta frecuencia generadas por el rectificador, as\u00ed como las producidas externamente. Estos filtros est\u00e1n formados por una mezcla de inductores y condensadores, en cuyo caso los inductores bloquean el ruido de alta frecuencia y los condensadores ayudan a suavizar la corriente de salida. Esta etapa es muy importante para mantener estable el sistema de alimentaci\u00f3n y evitar interferencias con otros dispositivos electr\u00f3nicos.<\/p>\n\n\n\n

Condensador de entrada<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El condensador de entrada se utiliza para almacenar la energ\u00eda del proceso de rectificaci\u00f3n. Su funci\u00f3n principal es producir una fuente de CC estable para la fuente de alimentaci\u00f3n. En caso de fluctuaciones en la frecuencia de la red o de un aumento repentino de la carga, el condensador puede suministrar energ\u00eda inmediatamente para garantizar que la salida de potencia sea continua y estable, evitando as\u00ed que las ca\u00eddas de tensi\u00f3n afecten al rendimiento de la fuente de alimentaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

Transistor de conmutaci\u00f3n (o MOSFET)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El transistor de conmutaci\u00f3n que se utiliza en la fuente de alimentaci\u00f3n es un MOSFET. Funciona encendiendo y apagando el circuito a una frecuencia muy alta determinada por el controlador PWM. El MOSFET es \u00fanico en su capacidad de conmutar extremadamente r\u00e1pido, completando en nanosegundos, y esta r\u00e1pida acci\u00f3n de conmutaci\u00f3n produce corrientes de pulso de alta frecuencia que son procesadas por el transformador, por lo que es la mejor opci\u00f3n para aplicaciones de alta potencia.<\/p>\n\n\n\n

Controlador PWM (modulaci\u00f3n por ancho de pulsos)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El controlador PWM se utiliza para regular la frecuencia de conmutaci\u00f3n y la duraci\u00f3n de cada conmutador (ancho de pulso) del MOSFET, controlando as\u00ed con precisi\u00f3n el flujo de la corriente. El tama\u00f1o de los pulsos determina la cantidad de corriente media que pasa por el MOSFET y, en consecuencia, determina la estabilidad de la tensi\u00f3n y la corriente de salida. La tecnolog\u00eda PWM no s\u00f3lo mejora la eficiencia de la fuente de alimentaci\u00f3n, sino que tambi\u00e9n minimiza la producci\u00f3n de calor, un factor de gran valor cuando se trata de mantener la tensi\u00f3n de salida deseada.<\/p>\n\n\n\n

Transformador<\/strong><\/p>\n\n\n\n

La corriente de alta frecuencia se suministra al transformador a trav\u00e9s del controlador PWM y el MOSFET de forma coordinada. Una de las principales funciones del transformador es proporcionar transformaci\u00f3n de tensi\u00f3n y aislamiento el\u00e9ctrico. Transforma la corriente de impulsos de alta frecuencia en los niveles de tensi\u00f3n deseados, al tiempo que separa el\u00e9ctricamente la entrada de la salida y mejora la seguridad del sistema. Esta configuraci\u00f3n del transformador es fundamental para garantizar la uniformidad del rendimiento del equipo.<\/p>\n\n\n\n

Salida <\/strong>Rectificador<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El siguiente paso en este proceso es convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto lo hace el rectificador de salida despu\u00e9s de que el transformador haya hecho su trabajo sobre la corriente. El rectificador de salida suele dise\u00f1arse tambi\u00e9n en disposici\u00f3n de puente para garantizar que s\u00f3lo se permita una direcci\u00f3n del flujo de corriente, lo cual es una condici\u00f3n para la producci\u00f3n de una salida de c.c. estable a partir de la salida del transformador, que puede utilizarse para requisitos de tensi\u00f3n de entrada de c.c. con una variedad de valores.<\/p>\n\n\n\n

Salida <\/strong>Filtro<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El rectificador de corriente continua posterior a la salida tambi\u00e9n puede tener algunos impulsos de alta frecuencia y ruido. El filtro de salida, compuesto por inductores y condensadores, refina a\u00fan m\u00e1s los pulsos que puedan haber surgido anteriormente para producir una tensi\u00f3n de salida limpia y estable para los dispositivos conectados, garantizando una tensi\u00f3n constante para obtener el mejor rendimiento.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfC\u00f3mo funciona una fuente de alimentaci\u00f3n conmutada?<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Este es el diagrama de flujo que ilustra los sencillos pasos del funcionamiento de una fuente de alimentaci\u00f3n conmutada.<\/p>\n\n\n\n

Entrar en la fase de rectificaci\u00f3n<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

La etapa de conversi\u00f3n CA\/CC es la primera etapa en la que la fuente de alimentaci\u00f3n conmutada recibe corriente alterna de una fuente externa, por ejemplo, una toma de corriente. Esta CA es de naturaleza variable, ya que se compone de tensi\u00f3n positiva y negativa. La funci\u00f3n del rectificador es convertir esta CA en corriente continua (CC) con la que puedan funcionar los dispositivos electr\u00f3nicos. En la mayor\u00eda de las fuentes de alimentaci\u00f3n, se utiliza un puente de diodos que contiene cuatro diodos, dispuestos en una configuraci\u00f3n que permite una sola direcci\u00f3n del flujo de corriente, y as\u00ed, igualar las oscilaciones de la CA en salida de CC pulsante. Esta etapa de rectificaci\u00f3n puede verse en el diagrama de bloques de la figura 1, que es representativo de muchas fuentes de alimentaci\u00f3n CA-CC o CC-CC.<\/p>\n\n\n\n

Filtrado de entrada y filtrado EMI<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Una vez corregida, la corriente continua pulsante arrastra, no obstante, fluctuaciones de alta frecuencia y ruido que pueden perturbar las unidades electr\u00f3nicas. Este problema se resuelve con el filtro de entrada, a lo largo del cual suele instalarse el filtro EMI. Esta etapa consta de inductores que bloquean el ruido de alta frecuencia y condensadores para filtrar la CC pulsante y convertirla en una salida de CC m\u00e1s estable. Este filtrado es de gran importancia para evitar ruidos que, de lo contrario, pueden degradar el rendimiento y afectar a otros dispositivos electr\u00f3nicos.<\/p>\n\n\n\n

Conmutaci\u00f3n<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

La etapa de conmutaci\u00f3n es el coraz\u00f3n de la fuente de alimentaci\u00f3n, que determina su funcionamiento. Consiste en un transistor de conmutaci\u00f3n, normalmente un MOSFET, muy r\u00e1pido y controlado por un controlador PWM (Pulse Width Modulation). Este patr\u00f3n discontinuo del filtro de entrada de CC se convierte en pulsos de mayor frecuencia. El n\u00famero y la duraci\u00f3n de estos pulsos se sintonizan cuidadosamente para garantizar que la cantidad de energ\u00eda transferida al transformador se regule correctamente, lo que permite un control preciso de la salida del convertidor. Las distintas configuraciones de los convertidores, como el convertidor hacia delante y el convertidor flyback, requieren diferentes estrategias de control.<\/p>\n\n\n\n

Transformaci\u00f3n y aislamiento<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Una vez convertida en impulsos de alta frecuencia, la corriente continua se introduce en un transformador. El transformador cumple dos funciones principales: altera la tensi\u00f3n al nivel deseado, aument\u00e1ndola o disminuy\u00e9ndola en funci\u00f3n de las necesidades del aparato, y presenta aislamiento el\u00e9ctrico entre la entrada y la salida, lo que mejora la seguridad. El transformador de alta frecuencia est\u00e1 dise\u00f1ado para ser m\u00e1s compacto y eficaz en comparaci\u00f3n con los utilizados en las fuentes de alimentaci\u00f3n m\u00e1s antiguas que se ocupan de los campos magn\u00e9ticos.<\/p>\n\n\n\n

Salida <\/strong>Rectificaci\u00f3n<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

En esta etapa, el transformador rectifica la corriente alterna de alta frecuencia a continua. Para ello se utiliza otro grupo de diodos en una disposici\u00f3n rectificadora, igual a la de la etapa de entrada pero adaptada al nivel de tensi\u00f3n tras la transformaci\u00f3n. Con este fin, el convertidor CC-CC se utiliza para generar una salida de CC constante que los dispositivos electr\u00f3nicos necesitan para funcionar, con el nivel de tensi\u00f3n deseado. El proceso de rectificaci\u00f3n de la salida, tambi\u00e9n conocido como regulaci\u00f3n de tensi\u00f3n constante, es crucial para convertir la CC de alta tensi\u00f3n procedente del transformador en la CC de baja tensi\u00f3n deseada para la salida.<\/p>\n\n\n\n

Filtrado de salida<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

A pesar de que la CC de salida puede seguir teniendo peque\u00f1as variaciones y algo de ruido residual incluso despu\u00e9s de la rectificaci\u00f3n. La etapa de filtrado tiene la capacidad de resolver estos problemas con condensadores e inductores combinados. Los condensadores se encargan de suavizar la tensi\u00f3n y los inductores de filtrar cualquier ruido de alta frecuencia, de forma que la salida de CC sea limpia, con una ca\u00edda de tensi\u00f3n m\u00ednima y estable.<\/p>\n\n\n\n

Retroalimentaci\u00f3n y ajuste<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

La \u00faltima etapa es un mecanismo de realimentaci\u00f3n y correcci\u00f3n que supervisa continuamente la tensi\u00f3n de salida y realiza los ajustes necesarios para mantenerla estable. El bucle se cierra normalmente detectando la salida y enviando se\u00f1ales al controlador PWM, que ajusta en consecuencia el ciclo de trabajo del transistor de conmutaci\u00f3n. Esta adaptaci\u00f3n din\u00e1mica es un elemento fundamental para compensar cualquier cambio en la potencia o la tensi\u00f3n de entrada, mantener constante el rendimiento en distintas condiciones y gestionar adecuadamente los lazos de control y los circuitos de control.<\/p>\n\n\n\n

Eficacia e interferencias electromagn\u00e9ticas (EMI)<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

En una fuente de alimentaci\u00f3n conmutada (SMPS), tanto la eficiencia como las interferencias electromagn\u00e9ticas (EMI) son factores importantes que afectan al rendimiento y al dise\u00f1o. He aqu\u00ed un an\u00e1lisis detallado de cada uno de ellos:<\/p>\n\n\n\n

Eficiencia de <\/strong>SMPS<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

La eficacia de un SMPS viene dada por la capacidad de convertir la potencia de entrada (normalmente CA) en potencia de salida (CC) con la menor p\u00e9rdida de energ\u00eda posible. La eficacia se define como la relaci\u00f3n entre la potencia de salida y la potencia de entrada, normalmente expresada en porcentaje:<\/p>\n\n\n\n

Eficiencia(%) = (Potencia de entrada \/ Potencia de salida) \u00d7 100<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Los factores clave que contribuyen a la alta eficiencia de los SMPS incluyen:<\/p>\n\n\n\n

\n
\n