INGENIERÍA ELECTRICA

matrices dispersas convertidor es un convertidor CA / CA que ofrece un número reducido de componentes, un esquema de modulación de baja complejidad, y el esfuerzo de baja realización. ^{[1] [2] [3] [4]} Inventado en 2001 por el profesor Johann W. Kolar ^[5] , los convertidores de matriz dispersos evitan el procedimiento de conmutación de múltiples pasos del convertidor de matriz convencional, mejorando la confiabilidad del sistema en operaciones industriales. Su aplicación principal es en variadores de CA integrados altamente compactos.

Características ^[6] [ editar ]

• Conversión cuasi directa de CA-CA sin elementos de almacenamiento de energía de enlace CC
• Corriente de entrada sinusoidal en fase con tensión de red
• Esquema de conmutación de corriente de enlace de CC cero que resulta en una menor complejidad de modulación y muy alta confiabilidad
• Baja complejidad de circuitos de potencia / módulos de potencia disponibles
• Ultra-Sparse Matrix Converter, muestra un esfuerzo de realización muy bajo, en caso de que se pueda aceptar un flujo de potencia unidireccional (desplazamiento admisible de 30 ° de la corriente de entrada fundamental y la tensión de entrada, así como para la tensión de salida fundamental y la corriente de salida), en consecuencia, un posible área de aplicación sería unidades PSM de velocidad variable de baja dinámica.

Topologías [ editar ]

Convertidor de matrices [ editar ]

El convertidor de matriz es un dispositivo que convierte el suministro de entrada de CA en el suministro de CA variable requerido como salida sin ningún proceso de conversión intermedio, mientras que en el caso del inversor que convierte CA - CC - CA que toma más componentes adicionales como rectificadores de diodos, filtros, circuito de carga pero no son necesarios en el caso de convertidores matriciales

Convertidor de matriz dispersa [ editar ]

Las características de la topología del convertidor de matriz dispersa son 15 transistores, 18 diodos y 7 potenciales de controlador aislado. En comparación con el convertidor directo de matriz, esta topología proporciona una funcionalidad idéntica, pero con un número reducido de interruptores de alimentación y la opción de emplear un esquema mejorado de conmutación de corriente de enlace de CC cero, que proporciona una menor complejidad de control y una mayor seguridad y fiabilidad.

Convertidor de matriz muy escaso [ editar ]

Fig. 2: Topología de la matriz muy dispersa.

Las características de la topología del convertidor de matriz muy dispersa son 12 transistores, 30 diodos y 10 potenciales de controladores aislados. No hay limitaciones en la funcionalidad en comparación con el convertidor de matriz directa y el convertidor de matriz dispersa. En comparación con el convertidor de matriz dispersa, hay menos transistores pero mayores pérdidas de conducción debido al mayor número de diodos en las rutas de conducción.

Ultra Sparse Matrix Converter [ editar ]

Fig. 3: Topología de la matriz ultra dispersa.

Las características de la topología Ultra Sparse Matrix Converter son 9 transistores, 18 diodos y 7 potenciales de controlador aislado. La limitación significativa de esta topología del convertidor en comparación con el convertidor de matriz dispersa es la restricción de su desplazamiento de fase máximo entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada que está restringido a ± 30 °.

Conmutación de varios pasos [ editar ]

Fig. 4: Conmutación de varios pasos de la etapa de entrada del rectificador Sparse Matrix Converter.

Este es un esquema de conmutación, representado en la Fig. 4. Para un estado de conmutación dado de la etapa de entrada del rectificador, la conmutación de la etapa de salida del inversor debe realizarse de manera idéntica a la conmutación de un convertidor de enlace CC de voltaje convencional. La estructura básica de las patas del puente de conmutación del convertidor de matriz dispersa se muestra en la figura 4 (a). La secuencia del interruptor para cambiar la conexión del bus de voltaje positivo del enlace de CC p desde la entrada a la entrada b se muestra en la Fig. 4 (b) y la Fig. 4 (c). En la Fig. 4 (b) el supuesto es una conmutación independiente de la corriente con uab> 0. En la Fig. 4 (c) el supuesto es una conmutación independiente del voltaje con i> 0.

Se debe implementar un tiempo muerto entre el apagado y el encendido de los transistores de potencia de un tramo de puente para evitar un cortocircuito del voltaje del enlace de CC. Para cambiar el estado de conmutación de la etapa de entrada del rectificador Sparse Matrix Converter para un determinado estado de conmutación del inversor, uno debe asegurarse de que no haya una conexión bidireccional entre dos líneas de entrada. Esto garantiza que no se produzca un cortocircuito de un voltaje de línea a línea de entrada. Además, se debe proporcionar continuamente una ruta actual. Por lo tanto, se pueden emplear esquemas de conmutación de varios pasos, que utilizan conmutación independiente de voltaje e independiente de corriente como se conoce para el Convertidor de matriz directa convencional ^[7] .

Conmutación de corriente de enlace de CC cero [ editar ]

Fig. 5: Conmutación de corriente de enlace de CC cero que se muestra para Sparse Matrix Converter.

El inconveniente de la conmutación multipaso descrita anteriormente es su complejidad. Los convertidores de matriz indirectos como el Sparse Matrix Converter proporcionan un grado de libertad de control que no está disponible para el Convertidor directo de matriz convencional. Esto se puede usar para simplificar el complejo problema de conmutación. Se ha propuesto ^[8] cambiar la etapa del inversor a un estado de rueda libre y luego conmutar la etapa del rectificador con cero corriente de enlace de CC. Esto se muestra en la Fig. 5.

La figura 5 (a) muestra el control de los transistores de potencia en una pata del puente del convertidor de matriz dispersa. La figura 5 (b) muestra la secuencia del estado de conmutación donde s0; s7 = 1 indica la operación de rueda libre de la etapa del inversor. Además, se muestra la corriente de enlace de CC i.

El esquema de conmutación de corriente de enlace CC cero proporciona el beneficio adicional de una reducción en las pérdidas de conmutación de la etapa de entrada. Uno solo tiene que asegurarse de que no se superpongan los intervalos de encendido de los transistores de potencia en la mitad de un puente, ya que esto provocaría un cortocircuito de un voltaje de línea a línea de entrada.

Fig. 6: Tensiones y corrientes características y estados de conmutación del convertidor de matriz dispersa durante el período de encendido.

La figura 6 muestra la formación de la tensión de enlace de cc u y la corriente de enlace de cc i dentro de un período de conmutación. Además, muestra como ejemplo las funciones de conmutación de la etapa de rectificador e inversor para $${\ displaystyle \ phi _ {1}} en intervalo $${\ displaystyle (0 ... \ pi / 6)}y $${\ displaystyle \ phi _ {2}} en intervalo $${\ displaystyle (0 ... \ pi / 6)}. La conmutación de la etapa de entrada ocurre a cero corriente de enlace de CC. La corriente de enlace de CC tiene un valor promedio constante$${\ displaystyle {\ bar {i}}} dentro $${\ displaystyle \ tau _ {ac}} y $${\ displaystyle \ tau _ {ab}}. Las funciones de estado de conmutación se dan como$${\ displaystyle s_ {A}, s_ {B}}y $${\ displaystyle s_ {C}}. La ondulación de la frecuencia de conmutación de$${\ displaystyle u_ {ac}, u_ {ab}, i_ {A}} y $${\ displaystyle i_ {C}} está descuidado.

De Wikipedia, la enciclopedia libre

Saltar a navegaciónSaltar a búsqueda

Vista interior de un SMPS ATX : debajo de A: filtro de entrada EMI y rectificador de puente; B: condensadores de filtro de entrada; "Entre" B y C: disipador de calor del lado primario; C: transformador; Entre C y D: disipador de calor lateral secundario; D: bobina de filtro de salida; E: condensadores de filtro de salida.   La bobina y el condensador amarillo grande debajo de E son componentes adicionales de filtrado de entrada que se montan directamente en el conector de entrada de alimentación y no forman parte de la placa de circuito principal.

Fuente de alimentación conmutada ajustable para uso en laboratorio.

A modo conmutado fuente de alimentación ( fuente de alimentación de modo de conmutación , fuente de alimentación de modo de conmutación , conmutación de fuente de alimentación , SMPS , o conmutador ) es un sistema electrónico de fuente de alimentación que incorpora un regulador de conmutación para convertir la energía eléctrica de manera eficiente. Al igual que otras fuentes de alimentación, un SMPS transfiere energía de una fuente de CC o CA (a menudo de alimentación de red ) a cargas de CC, como una computadora personal , mientras convierte las características de voltaje y corriente . A diferencia de una fuente de alimentación lineal, el transistor de paso de un suministro de modo de conmutación cambia continuamente entre estados de baja disipación , encendido total y apagado total, y pasa muy poco tiempo en las transiciones de alta disipación, lo que minimiza el desperdicio de energía. Una hipotética fuente de alimentación de modo conmutado ideal no disipa la energía. La regulación del voltaje se logra variando la relación entre el tiempo de encendido y apagado (también conocido como ciclos de trabajo ). En contraste, una fuente de alimentación lineal regula el voltaje de salida disipando continuamente la potencia en el transistor de paso. Esta mayor eficiencia de conversión de energía es una ventaja importante de una fuente de alimentación de modo conmutado. Las fuentes de alimentación de modo conmutado también pueden ser sustancialmente más pequeñas y livianas que una fuente lineal debido al menor tamaño y peso del transformador.

Los reguladores de conmutación se utilizan como sustitutos de los reguladores lineales cuando se requiere una mayor eficiencia, un tamaño más pequeño o un peso más ligero. Sin embargo, son más complicados; sus corrientes de conmutación pueden causar problemas de ruido eléctrico si no se suprimen cuidadosamente, y los diseños simples pueden tener un factor de potencia deficiente .

Historia [ editar ]

1836

Las bobinas de inducción usan interruptores para generar altos voltajes.

1910

Un sistema de encendido por descarga inductiva inventado por Charles F. Kettering y su compañía Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) entra en producción para Cadillac. ^[1] El sistema de encendido Kettering es una versión con cambio mecánico de un convertidor fly back boost; El transformador es la bobina de encendido. Las variaciones de este sistema de encendido se utilizaron en todos los motores de combustión interna que no son diesel hasta la década de 1960, cuando comenzó a ser reemplazado primero por versiones de estado sólido con conmutación electrónica, luego por sistemas de encendido por descarga capacitiva .

1926

El 23 de junio, el inventor británico Philip Ray Coursey solicita una patente en su país y Estados Unidos para su "condensador eléctrico". ^[2] [3] La patente menciona soldadura de alta frecuencia ^[4] y hornos, entre otros usos. ^[3]

do.  1932

Los relés electromecánicos se utilizan para estabilizar la salida de voltaje de los generadores. Ver Regulador de voltaje # Reguladores electromecánicos . ^[5] [6]

do. 1936

Las radios de los automóviles utilizaban vibradores electromecánicos para transformar el suministro de batería de 6 V a un voltaje B + adecuado para los tubos de vacío. ^[7]

1959

El MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal) es inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en los Laboratorios Bell . ^[8] El MOSFET de potencia se convirtió más tarde en el dispositivo de alimentación más utilizado para cambiar las fuentes de alimentación. ^[9]

1959

Joseph E. Murphy y Francis J. Starzec, de General Motors Company ^[10], presentan la patente de los Estados Unidos 3.040.271, convertidor de rectificación y oscilación del transistor ^.

1960

El Apollo Guidance Computer , desarrollado a principios de la década de 1960 por el Laboratorio de Instrumentación del MIT para las ambiciosas misiones lunares de la NASA (1966-1972), incorporó las primeras fuentes de alimentación conmutadas. ^[11]

do. 1967

Bob Widlar de Fairchild Semiconductor diseña el regulador de voltaje µA723 IC. Una de sus aplicaciones es como un regulador de modo conmutado. ^[12]

1970

Tektronix comienza a utilizar la fuente de alimentación de alta eficiencia en sus osciloscopios de la serie 7000 producidos entre 1970 y 1995. ^{[13] [14] [15] [16]}

1970

Robert Boschert desarrolla circuitos más simples y de bajo costo. Para 1977, Boschert Inc. se convierte en una empresa de 650 personas. ^[17] [18] Después de una serie de fusiones, adquisiciones y escisiones (productos informáticos, Zytec, Artesyn, Emerson Electric), la compañía ahora es parte de Advanced Energy . ^{[19] [20] [21]}

1972

HP-35 , la primera calculadora de bolsillo de Hewlett-Packard , se presenta con una fuente de alimentación de conmutación de transistores para diodos emisores de luz , relojes, temporización, ROM y registros. ^[22]

1973

Xerox utiliza fuentes de alimentación conmutadas en la minicomputadora Alto ^[23]

1976

Robert Mammano, cofundador de Silicon General Semiconductors, desarrolla el primer circuito integrado para el control SMPS, modelo SG1524. ^[17] Después de una serie de fusiones y adquisiciones (Linfinity, Symetricom, Microsemi ), la compañía ahora es parte de Microchip Technology . ^[24]

1977

Apple II está diseñado con una fuente de alimentación de modo de conmutación. " Rod Holt fue contratado como ingeniero de producto y hubo varias fallas en Apple II que nunca fueron publicitadas. Una cosa que Holt tiene en su haber es que creó la fuente de alimentación conmutada que nos permitió hacer una computadora muy liviana ". ^[25]

1980

El generador de señal sintetizada HP8662A 10 kHz - 1.28 GHz se suministró con una fuente de alimentación de modo conmutado. ^[26]

Explicación [ editar ]

Un regulador lineal proporciona el voltaje de salida deseado al disipar el exceso de potencia en pérdidas óhmicas (por ejemplo, en una resistencia o en la región colector-emisor de un transistor de paso en su modo activo). Un regulador lineal regula el voltaje de salida o la corriente al disipar el exceso de energía eléctrica en forma de calor , y por lo tanto su máxima eficiencia de energía es la tensión de salida / entrada de voltaje ya que se desperdicia la diferencia de voltios.

Por el contrario, un SMPS cambia el voltaje y la corriente de salida al cambiar idealmente elementos de almacenamiento sin pérdidas, como inductores y condensadores , entre diferentes configuraciones eléctricas. Los elementos de conmutación ideales (aproximados por transistores operados fuera de su modo activo) no tienen resistencia cuando están "encendidos" y no llevan corriente cuando están "apagados", por lo que los convertidores con componentes ideales funcionarían con un 100% de eficiencia (es decir, toda la potencia de entrada se entrega a la carga; no se desperdicia energía como calor disipado). En realidad, estos componentes ideales no existen, por lo que una fuente de alimentación conmutada no puede ser 100% eficiente, pero sigue siendo una mejora significativa en la eficiencia sobre un regulador lineal.

El esquema básico de un convertidor boost

Por ejemplo, si una fuente de CC, un inductor, un interruptor y la tierra eléctrica correspondiente se colocan en serie y el interruptor es impulsado por una onda cuadrada , el voltaje de pico a pico de la forma de onda medida a través del interruptor puede exceder el voltaje de entrada de la fuente DC. Esto se debe a que el inductor responde a los cambios en la corriente induciendo su propio voltaje para contrarrestar el cambio en la corriente, y este voltaje se suma al voltaje de la fuente mientras el interruptor está abierto. Si se coloca una combinación de diodo y condensador en paralelo al interruptor, el voltaje máximo puede almacenarse en el condensador, y el condensador puede usarse como una fuente de CC con un voltaje de salida mayor que el voltaje de CC que impulsa el circuito. Este convertidor de impulso actúa como untransformador elevador para señales DC. Un convertidor buck-boost funciona de manera similar, pero produce un voltaje de salida que es opuesto en polaridad al voltaje de entrada. Existen otros circuitos reductores para aumentar la corriente de salida promedio con una reducción de voltaje.

En un SMPS, el flujo de corriente de salida depende de la señal de potencia de entrada, los elementos de almacenamiento y las topologías de circuito utilizadas, y también del patrón utilizado (por ejemplo, modulación de ancho de pulso con un ciclo de trabajo ajustable ) para controlar los elementos de conmutación. La densidad espectral de estas formas de onda de conmutación tiene energía concentrada en frecuencias relativamente altas. Como tal, los transitorios de conmutación y la ondulación introducidos en las formas de onda de salida se pueden filtrar con un pequeño filtro LC .

Ventajas y desventajas [ editar ]

La principal ventaja de la fuente de alimentación de conmutación es una mayor eficiencia que los reguladores lineales porque el transistor de conmutación disipa poca energía cuando actúa como un interruptor.

Otras ventajas incluyen un tamaño más pequeño, un ruido más bajo y un peso más ligero debido a la eliminación de transformadores de frecuencia de línea pesados ​​y una generación de calor comparable. La pérdida de energía en espera suele ser mucho menor que la de los transformadores. El transformador en una fuente de alimentación conmutada también es más pequeño que un transformador de frecuencia de línea tradicional (50 Hz o 60 Hz según la región) y, por lo tanto, requiere cantidades más pequeñas de materias primas caras, como el cobre.

Las desventajas incluyen una mayor complejidad, la generación de energía de alta amplitud y alta frecuencia que el filtro de paso bajo debe bloquear para evitar interferencias electromagnéticas (EMI), un voltaje de ondulación en la frecuencia de conmutación y las frecuencias armónicas de los mismos.

Los SMPS de muy bajo costo pueden acoplar el ruido de conmutación eléctrica de nuevo a la línea de alimentación de la red eléctrica, causando interferencia con los dispositivos conectados a la misma fase, como los equipos de A / V. Los SMPS sin corrección de factor de potencia también causan distorsión armónica.

Comparación de SMPS y fuente de alimentación lineal [ editar ]

Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas disponibles: SMPS y lineal. La siguiente tabla compara los suministros lineales de CA a CC regulados y no regulados con los reguladores de conmutación en general:

Comparación de una fuente de alimentación lineal y una fuente de alimentación conmutada

	Fuente de alimentación lineal	Fuente de alimentación conmutada	Notas
Tamaño y peso	Los disipadores térmicos para reguladores lineales de alta potencia agregan tamaño y peso. Los transformadores, si se usan, son grandes debido a la baja frecuencia de operación (la frecuencia de la red eléctrica es de 50 o 60 Hz); de lo contrario puede ser compacto debido al bajo recuento de componentes.	Transformador más pequeño (si se usa; de lo contrario, inductor) debido a una frecuencia de operación más alta (típicamente 50 kHz - 1 MHz ). El tamaño y el peso del blindaje de RF adecuado pueden ser significativos.	La capacidad de manejo de potencia de un transformador de tamaño y peso determinados aumenta con la frecuencia, siempre que las pérdidas por histéresis se puedan mantener bajas. Por lo tanto, una frecuencia de operación más alta significa una capacidad mayor o un transformador más pequeño.
Tensión de salida	Con el transformador utilizado, cualquier voltaje disponible; si no tiene transformador, se limita a lo que se puede lograr con un duplicador de voltaje . Si no está regulado, el voltaje varía significativamente con la carga.	Cualquier voltaje disponible, limitado solo por los voltajes de ruptura del transistor en muchos circuitos. El voltaje varía poco con la carga.	Un SMPS generalmente puede hacer frente a una variación más amplia de entrada antes de que cambie el voltaje de salida.
Eficiencia , calor y disipación de potencia.	Si está regulado: la eficiencia depende en gran medida de la diferencia de voltaje entre la entrada y la salida; El voltaje de salida se regula al disipar el exceso de potencia como calor, lo que resulta en una eficiencia típica de 30-40%. [27] Si no está regulado, las pérdidas de transformador de hierro y cobre pueden ser las únicas fuentes importantes de ineficiencia.	La salida se regula mediante el control del ciclo de trabajo ; Los transistores están completamente encendidos o apagados, por lo que hay muy pocas pérdidas resistivas entre la entrada y la carga. El único calor generado está en los aspectos no ideales de los componentes y la corriente de reposo en los circuitos de control.	Pérdidas de conmutación en los transistores (especialmente en la parte corta de cada ciclo cuando el dispositivo está parcialmente encendido), resistencia al encendido de los transistores de conmutación, resistencia en serie equivalente en el inductor y condensadores, y pérdidas de núcleo en el inductor y caída de tensión del rectificador contribuir a una eficiencia típica de 60 a 70%. Sin embargo, al optimizar el diseño SMPS (como elegir la frecuencia de conmutación óptima, evitar la saturación de inductores y la rectificación activa ), se puede minimizar la cantidad de pérdida de energía y calor; Un buen diseño puede tener una eficiencia del 95%.
Complejidad	No regulado puede ser simplemente un diodo y un condensador; regulado tiene un circuito regulador de voltaje y un condensador de filtrado de ruido; generalmente un circuito más simple (y criterios de estabilidad de bucle de retroalimentación más simples) que los circuitos en modo conmutado.	Consiste en un controlador IC, uno o varios transistores de potencia y diodos, así como un transformador de potencia, inductores y condensadores de filtro . Se presentan algunas complejidades de diseño (reducción de ruido / interferencia; limitaciones adicionales en las clasificaciones máximas de transistores a altas velocidades de conmutación) que no se encuentran en los circuitos reguladores lineales.	En los suministros de red conmutada (CA a CC), se pueden generar múltiples voltajes por un núcleo de transformador, pero eso puede introducir complicaciones de diseño / uso: por ejemplo, puede imponer restricciones mínimas de corriente de salida en una salida. Para esto, las SMPS deben utilizar el control del ciclo de trabajo. Se debe elegir una de las salidas para alimentar el circuito de retroalimentación de regulación de voltaje (por lo general, las cargas de 3,3 V o 5 V son más exigentes con sus voltajes de suministro que las cargas de 12 V , por lo que esto toma la decisión de cuál alimenta el circuito de retroalimentación. otras salidas suelen seguir bastante bien a la regulada). Ambos necesitan una cuidadosa selección de sus transformadores. Debido a las altas frecuencias de funcionamiento en SMPS, la inductancia parásita y la capacitancia dellas huellas de placas de circuito impreso se vuelven importantes.
Interferencia de radiofrecuencia	Los diodos rectificadores de CA pueden generar interferencias leves de alta frecuencia bajo una gran carga de corriente, mientras que la mayoría de los otros tipos de suministro no producen interferencias de alta frecuencia. La inducción de algunos zumbidos de la red eléctrica en cables sin blindaje es problemática para el audio de baja señal.	EMI / RFI producido debido a que la corriente se enciende y se apaga bruscamente. Por lo tanto, se necesitan filtros EMI y blindaje RF para reducir la interferencia disruptiva.	Los cables largos entre los componentes pueden reducir la eficiencia del filtro de alta frecuencia que proporcionan los condensadores en la entrada y la salida. La frecuencia de conmutación estable puede ser importante.
Ruido electrónico en los terminales de salida.	Las unidades de suministro de energía no reguladas pueden tener una pequeña ondulación de CA superpuesta sobre el componente de CC a dos veces la frecuencia de la red ( 100–120 Hz ). Puede causar zumbidos audibles en los equipos de audio, ondas de brillo o distorsiones en bandas en las cámaras de seguridad analógicas.	Más ruidoso debido a la frecuencia de conmutación del SMPS. Una salida sin filtrar puede causar fallas en los circuitos digitales o ruido en los circuitos de audio.	Esto se puede suprimir con condensadores y otros circuitos de filtrado en la etapa de salida. Con una fuente de alimentación conmutada, la frecuencia de conmutación se puede elegir para mantener el ruido fuera de la banda de frecuencia de trabajo de los circuitos (por ejemplo, para sistemas de audio por encima del rango de audición humana)
Ruido electrónico en los terminales de entrada.	Causa distorsión armónica a la entrada de CA, pero relativamente poco o ningún ruido de alta frecuencia.	El SMPS de muy bajo costo puede acoplar el ruido de conmutación eléctrica de nuevo a la línea de alimentación de la red eléctrica, causando interferencia con los equipos de A / V conectados a la misma fase. Los SMPS sin corrección de factor de potencia también causan distorsión armónica.	Esto se puede evitar si se conecta un filtro EMI / RFI (correctamente conectado a tierra) entre los terminales de entrada y el puente rectificador.
Ruido acústico	Zumbido de red débil, generalmente inaudible, generalmente debido a la vibración de los devanados en el transformador o la magnetostricción .	Generalmente inaudible para la mayoría de los humanos , a menos que tengan un ventilador o estén descargados / funcionen mal, o usen una frecuencia de conmutación dentro del rango de audio, o las laminaciones de la bobina vibren a una subarmónica de la frecuencia de operación.	La frecuencia de funcionamiento de un SMPS descargado a veces se encuentra en el rango humano audible, y puede sonar subjetivamente bastante alto para las personas cuya audición es muy sensible al rango de frecuencia relevante.
Factor de potencia	Bajo para un suministro regulado porque la corriente se extrae de la red eléctrica en los picos de la sinusoide de voltaje , a menos que un circuito de entrada de choque o entrada de resistencia siga al rectificador (ahora raro).	Desde muy bajo a medio, ya que un SMPS simple sin PFC dibuja picos de corriente en los picos de la sinusoide de CA.	La corrección del factor de potencia activo / pasivo en el SMPS puede compensar este problema e incluso es requerido por algunas autoridades de regulación eléctrica, particularmente en la UE. La resistencia interna de los transformadores de baja potencia en las fuentes de alimentación lineales generalmente limita la corriente máxima en cada ciclo y, por lo tanto, proporciona un mejor factor de potencia que muchas fuentes de alimentación en modo conmutado que rectifican directamente la red con poca resistencia en serie.
Corriente de entrada	Gran corriente cuando el equipo de suministro de energía lineal alimentado por la red eléctrica se enciende hasta que el flujo magnético del transformador se estabiliza y los condensadores se cargan completamente, a menos que se use un circuito de arranque lento.	Corriente de pico "extremadamente alta" extremadamente grande limitada solo por la impedancia del suministro de entrada y cualquier resistencia en serie a los condensadores de filtro.	Los condensadores de filtro vacíos inicialmente consumen grandes cantidades de corriente a medida que se cargan, con condensadores más grandes que consumen grandes cantidades de corriente pico. Estando muchas veces por encima de la corriente de funcionamiento normal, esto estresa mucho los componentes sujetos a la sobretensión, complica la selección de fusibles para evitar el soplado molesto y puede causar problemas con los equipos que emplean protección contra sobrecorriente, como fuentes de alimentación ininterrumpida . Mitigado por el uso de un circuito de arranque suave adecuado o resistencia en serie.
Riesgo de descarga eléctrica.	Los suministros con transformadores aíslan la fuente de alimentación entrante del dispositivo alimentado y, por lo tanto, permiten que la carpintería metálica del gabinete se conecte a tierra de manera segura. Peligroso si se rompe el aislamiento primario / secundario, poco probable con un diseño razonable. Fuente de alimentación sin transformador peligrosa. Tanto en modo lineal como en modo conmutado, la red eléctrica, y posiblemente los voltajes de salida, son peligrosos y deben estar bien aislados.	El riel común del equipo (incluida la carcasa) se energiza a la mitad de la tensión de red, pero a alta impedancia, a menos que el equipo esté conectado a tierra o no contenga filtrado EMI / RFI en los terminales de entrada.	Debido a las normas relativas a la radiación EMI / RFI, muchas SMPS contienen filtros EMI / RFI en la etapa de entrada que consisten en condensadores e inductores antes del puente rectificador. Dos condensadores están conectados en serie con los rieles en vivo y neutro con la conexión a tierra entre los dos condensadores. Esto forma un divisor capacitivo que energiza el riel común a media tensión de red. Su fuente de corriente de alta impedancia puede proporcionar un hormigueo o una "mordida" al operador o puede explotarse para encender un LED de falla a tierra. Sin embargo, esta corriente puede causar disparos molestos en los dispositivos de corriente residual más sensibles . En las fuentes de alimentación sin un pin de tierra (como el cargador USB) hay un condensador EMI / RFI colocado entre el lado primario y el secundario. [28]También puede proporcionar una sensación de hormigueo muy leve, pero es seguro para el usuario. [29]
Riesgo de daños en el equipo.	Muy bajo, a menos que se produzca un corto entre los devanados primario y secundario o que el regulador falle por cortocircuito interno.	Puede fallar para hacer que el voltaje de salida sea muy alto [ cuantificar ] . La tensión en los condensadores puede hacer que exploten. En algunos casos, puede destruir las etapas de entrada en los amplificadores si el voltaje flotante excede el voltaje de ruptura del emisor base del transistor, causando que la ganancia del transistor disminuya y los niveles de ruido aumenten. [30] Mitigado por un buen diseño a prueba de fallas . La falla de un componente en el SMPS puede causar más daños a otros componentes de la PSU; Puede ser difícil de solucionar.	El voltaje flotante es causado por condensadores que unen los lados primario y secundario de la fuente de alimentación. La conexión al equipo conectado a tierra causará un pico momentáneo (y potencialmente destructivo) en la corriente en el conector a medida que el voltaje en el lado secundario del capacitor se iguala al potencial de tierra.

Teoría de la operación [ editar ]

Diagrama de bloques de un SMPS de CA / CC con alimentación de red con regulación de voltaje de salida

Etapa rectificadora de entrada [ editar ]

AC, señales rectificadas de onda media y onda completa

Si el SMPS tiene una entrada de CA, entonces la primera etapa es convertir la entrada a CC. Esto se llama rectificación . Un SMPS con una entrada de CC no requiere esta etapa. En algunas fuentes de alimentación (principalmente fuentes de alimentación de computadora ATX), el circuito rectificador se puede configurar como un duplicador de voltaje mediante la adición de un interruptor operado de forma manual o automática. Esta característica permite la operación desde fuentes de energía que normalmente están a 115 V o a 230 V. El rectificador produce un voltaje de CC no regulado que luego se envía a un condensador de filtro grande. La corriente extraída de la red eléctrica por este circuito rectificador se produce en pulsos cortos alrededor de los picos de voltaje de CA. Estos pulsos tienen una energía significativa de alta frecuencia que reduce el factor de potencia. Para corregir esto, muchos SMPS más nuevos utilizarán un circuito PFC especial para hacer que la corriente de entrada siga la forma sinusoidal del voltaje de entrada de CA, corrigiendo el factor de potencia. Las fuentes de alimentación que usan PFC activo generalmente son de rango automático y admiten voltajes de entrada de~ 100 VCA - 250 VCA , sin interruptor selector de voltaje de entrada.

Un SMPS diseñado para entrada de CA generalmente se puede ejecutar desde una fuente de CC, porque la CC pasaría a través del rectificador sin cambios. ^[31] Si la fuente de alimentación está diseñada para 115 VCA y no tiene interruptor selector de voltaje, el voltaje de CC requerido sería 163 VCC (115 × √ 2 ). Sin embargo, este tipo de uso puede ser perjudicial para la etapa del rectificador, ya que solo usará la mitad de los diodos en el rectificador para la carga completa. Esto podría provocar un sobrecalentamiento de estos componentes, lo que provocaría un fallo prematuro. Por otro lado, si la fuente de alimentación tiene un interruptor selector de voltaje, basado en el circuito Delon, para 115/230 V (las fuentes de alimentación ATX de la computadora generalmente están en esta categoría), el interruptor selector debería colocarse en la posición de 230 V , y el voltaje requerido sería 325 VCC (230 × √ 2 ). Los diodos en este tipo de fuente de alimentación manejarán la corriente de CC muy bien porque están clasificados para manejar el doble de la corriente de entrada nominal cuando funcionan en el modo de 115 V , debido a la operación del duplicador de voltaje. Esto se debe a que el duplicador, cuando está en funcionamiento, usa solo la mitad del rectificador de puente y pasa el doble de corriente a través de él. ^[32]

Etapa del inversor [ editar ]

Esta sección se refiere al bloque marcado chopper en el diagrama.

La etapa del inversor convierte CC, ya sea directamente desde la entrada o desde la etapa del rectificador descrita anteriormente, a CA al pasarlo por un oscilador de potencia, cuyo transformador de salida es muy pequeño con pocos devanados a una frecuencia de decenas o cientos de kilohercios . La frecuencia generalmente se elige por encima de 20 kHz, para que sea inaudible para los humanos. La conmutación se implementa como un amplificador MOSFET multietapa (para lograr una alta ganancia) . Los MOSFET son un tipo de transistor con baja resistencia de encendido y alta capacidad de manejo de corriente.

Convertidor de voltaje y rectificador de salida [ editar ]

Si se requiere que la salida esté aislada de la entrada, como suele ser el caso en las fuentes de alimentación de red, la CA invertida se usa para accionar el devanado primario de un transformador de alta frecuencia . Esto convierte el voltaje hacia arriba o hacia abajo al nivel de salida requerido en su devanado secundario. El transformador de salida en el diagrama de bloques sirve para este propósito.

Si se requiere una salida de CC , la salida de CA del transformador se rectifica. Para voltajes de salida superiores a diez voltios, se utilizan comúnmente diodos de silicio comunes. Para voltajes más bajos, los diodos Schottky se usan comúnmente como elementos rectificadores; tienen las ventajas de tiempos de recuperación más rápidos que los diodos de silicio (que permiten una operación de baja pérdida a frecuencias más altas) y una menor caída de voltaje al conducir. Para voltajes de salida aún más bajos, los MOSFET pueden usarse como rectificadores síncronos ; en comparación con los diodos Schottky, estos tienen caídas de voltaje de estado conductor aún más bajas.

La salida rectificada se suaviza con un filtro que consiste en inductores y condensadores . Para frecuencias de conmutación más altas, se necesitan componentes con menor capacitancia e inductancia.

Las fuentes de alimentación más simples y no aisladas contienen un inductor en lugar de un transformador. Este tipo incluye convertidores elevadores , convertidores reductores , y los convertidores buck-boost . Estos pertenecen a la clase más simple de convertidores de entrada única y salida única que usan un inductor y un interruptor activo. El convertidor reductor reduce la tensión de entrada en proporción directa a la relación entre el tiempo de conducción y el período de conmutación total, denominado ciclo de trabajo. Por ejemplo, un convertidor reductor ideal con una entrada de 10 V que funcione a un ciclo de trabajo del 50% producirá un voltaje de salida promedio de 5 V. Se utiliza un circuito de control de retroalimentación para regular el voltaje de salida variando el ciclo de trabajo para compensar las variaciones en la entrada. voltaje. El voltaje de salida de un convertidor boostsiempre es mayor que el voltaje de entrada y el voltaje de salida de aumento de inversión está invertido, pero puede ser mayor, igual o menor que la magnitud de su voltaje de entrada. Existen muchas variaciones y extensiones para esta clase de convertidores, pero estos tres forman la base de casi todos los convertidores de CC a CC aislados y no aislados. Al agregar un segundo inductor, se pueden implementar los convertidores Ćuk y SEPIC o, al agregar interruptores activos adicionales, se pueden realizar varios convertidores de puente.

Otros tipos de SMPS usan un condensador - multiplicador de voltaje de diodo en lugar de inductores y transformadores. Estos se utilizan principalmente para generar altos voltajes a bajas corrientes ( generador Cockcroft-Walton ). La variante de bajo voltaje se llama bomba de carga .