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 de la fuente eléctrica en la corriente, la tensión y la frecuencia correspondientes que requiere la carga. Las fuentes de alimentación también protegen la carga alimentada 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 corregir el factor de potencia.

En este artículo explicaremos los distintos 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 pueden dividirse en dos tipos principales: reguladas lineales y conmutadas (SMPS).

Los reguladores lineales convierten la corriente alterna (AC) en una corriente continua (DC) estable. Utilizan un transformador para proporcionar aislamiento galvánico entre la entrada de AC de alta tensión y la salida de DC de baja tensión, filtrar el ruido de la entrada y reducir la tensión de AC de entrada para rectificarla y obtener una tensión de DC de salida. Las fuentes de alimentación reguladas lineales tienen una eficiencia baja (30-60 %), lo que implica mayores pérdidas de energía y más calor que disipar.

Las fuentes de alimentación conmutadas tienen una eficiencia alta (más del 80 %) y prestaciones avanzadas. Las SMPS convierten la tensión entrante a frecuencia de red en una tensión de AC de alta frecuencia y luego la reducen mediante un transformador pequeño. A continuación, la tensión se rectifica, filtra y regula para obtener una tensión de DC estable.

Las SMPS tienen un diseño más complejo y un costo mayor que los reguladores lineales. Sin embargo, ofrecen numerosas ventajas frente a ellos, como 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 con la tensión de entrada nominal:

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

Las fuentes de alimentación no tienen una eficiencia constante, pues esta depende de las condiciones ambientales y de carga. En general, alcanzan su máxima eficiencia cuando funcionan al 50 % de la carga nominal. Las fuentes de alimentación presentan una eficiencia mayor con 230V que con 110V AC. Actualmente, el mercado ofrece modelos avanzados capaces de mantener una eficiencia elevada incluso en el intervalo del 50-100 % 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. 

Figura 1. Diagrama de funcionamiento de la fuente de alimentación para MEAN WELL UHP-2500 : eficiencia del modelo frente a la carga. (Imagen cortesía de MEAN WELL.)

No es posible alcanzar una eficiencia del 100 % en una fuente de alimentación. Sin embargo, con un diseño avanzado y los componentes adecuados pueden lograrse eficiencias altas (por ejemplo, la MEAN WELL UHP-2500 de la Figura 1 alcanza una eficiencia de hasta el 96 %). Las pérdidas en las fuentes de alimentación se deben a componentes pasivos y activos, y son mayores en las fuentes lineales que en las SMPS. En las SMPS, las pérdidas de potencia se producen principalmente en los dispositivos de conmutación (MOSFET y diodos). Otras pérdidas proceden de los condensadores y los inductores; pueden reducirse utilizando componentes avanzados de baja resistencia, que suelen ser costosos. Las pérdidas de los componentes pasivos incluyen las pérdidas en las resistencias (I2R), las pérdidas en los condensadores y las pérdidas en los inductores debidas al núcleo y al devanado. Las pérdidas de los componentes activos se deben principalmente a los MOSFET y los diodos, en forma de pérdidas de conducción y conmutación.

Aunque las SMPS pueden ser más costosas, su alta eficiencia reduce el gasto de electricidad. También son más fiables, generan menos ruido y requieren menos refrigeración. Utilizan componentes de alta calidad, como dispositivos de conmutación, condensadores de alta resistencia y bobinas de choque con buenas características. Producen una mejor tensión de salida, con poco rizado, menos ruido y menos calor, y proporcionan una mejor regulación de tensión.

Métodos de refrigeración de las fuentes de alimentación

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

1. El flujo de aire natural es un método sencillo de refrigeración por convección en el que el aire fluye de forma natural y aleja el calor del dispositivo. El flujo de aire natural es una opción de refrigeración sencilla y económica que no incorpora componentes mecánicos adicionales. Como este tipo de refrigeración tiene poca capacidad de disipación térmica, las fuentes de alimentación que lo utilizan tienen limitado su intervalo seguro de temperatura de funcionamiento.
2. La refrigeración por aire forzado emplea uno o más ventiladores para mejorar el flujo de aire natural y permitir temperaturas de funcionamiento más altas. Como 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 en aplicaciones con espacio limitado.
3. Los disipadores de calor transfieren el calor mediante el contacto directo con un componente más frío, que puede ser un disipador de calor (con aletas) o una placa fría (sin aletas). Un disipador con aletas ofrece una superficie mayor de contacto con el aire y permite disipar el calor con más rapidez. A menudo se combina con refrigeración por aire forzado para mejorar la disipación. Sin embargo, los disipadores requieren más espacio, lo que limita su uso en algunas aplicaciones. Las placas frías son placas metálicas gruesas que conducen el calor lejos del dispositivo. Se utilizan en aplicaciones donde la sencillez y el espacio son parámetros cruciales.
4. La refrigeración líquida consiste en una placa fría con un tubo integrado por el que circula líquido refrigerante en un circuito cerrado. El líquido ayuda a mantener la placa base a una temperatura muy estable, lo que maximiza la eficiencia de la transferencia térmica. Como elimina la necesidad de ventiladores, la refrigeración líquida no ocupa demasiado espacio. Ofrece una excelente disipación térmica, no genera ruido ni vibraciones y prolonga la vida útil de la fuente de alimentación. Sin embargo, es más costosa porque requiere un diseño más complejo. Se utiliza habitualmente 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 alta. Por ejemplo, las fuentes de alimentación refrigeradas por líquido de MEAN WELL, la serie PHP-3500, pueden suministrar hasta 3,500W. También disponen de una función activa de reparto de corriente que permite conectar hasta cuatro unidades en paralelo para entregar hasta 14,000W.

El video siguiente compara la diferencia de temperatura entre la refrigeración líquida y la refrigeración por aire forzado de un MOSFET y un condensador. Con refrigeración líquida, la temperatura es entre 6 y 18°C inferior a la obtenida con aire forzado.

Aunque son costosas, las fuentes de alimentación refrigeradas por líquido constituyen la solución más eficaz para aplicaciones en las que la refrigeración por aire forzado no es adecuada. En muchas aplicaciones conviene evitar el aire forzado, ya que añadir un ventilador a una fuente de alimentación reduce su fiabilidad, aumenta el costo, genera ruido y crea complicaciones de mantenimiento.

Una fuente de alimentación sin ventilador, como la MEAN WELL UHP-2500 de la Figura 2, evita los problemas causados por fallos del ventilador y reduce los costos de mantenimiento. Las fuentes sin ventilador también son adecuadas para entornos que requieren silencio absoluto.

Figura 2. Fuente de alimentación MEAN WELL UHP-2500 . (Imagen cortesía de MEAN WELL.)

Fuentes de alimentación y gestión de energía

La gestión de energía es una función importante en todo sistema electrónico porque controla, regula y distribuye la alimentación DC del sistema. La gestión de energía afecta a la fiabilidad, el rendimiento y el costo.

Las fuentes de alimentación avanzadas incorporan funciones programables de tensión y corriente (PV/PC), que permiten ajustar la tensión de salida entre el 50-120 % y la corriente entre el 20-100 % mediante una señal externa de control DC. Además, pueden incluir protocolos de comunicación, como PMBus o CANBus, para crear una fuente de alimentación inteligente. En general, existen dos tipos de regulación de la salida: mediante una interfaz externa de señal analógica o mediante una interfaz de control digital.

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

Figura 3. Diagrama de regulación de la corriente de salida para MEAN WELL PHP-3500 . (Imagen cortesía de MEAN WELL.)

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

(Imagen cortesía de MEAN WELL.)

El protocolo de comunicaciones más utilizado para el control digital de fuentes de alimentación es PMBus (bus de gestión de energía). PMBus es un protocolo abierto y normalizado de gestión de energía 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 las órdenes 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 el protocolo PMBus integrado permiten que el sistema final supervise y controle sus distintos parámetros de funcionamiento, como la tensión, la corriente y la temperatura. Las fuentes sin ventilador combinadas con PMBus mejoran considerablemente la fiabilidad a lo largo de su vida útil y la flexibilidad de instalación, lo que permite crear sistemas finales más compactos e inteligentes. La PHP-3500, por ejemplo, admite PMBus con una velocidad máxima de bus de 100kHz, lo que permite leer información, supervisar el estado y ajustar la salida.

Figura 4. Puede seleccionarse un módulo de comunicación para la supervisión o el control remotos según los requisitos del sistema. (Imagen cortesía de MEAN WELL.)

Para conocer mejor las ventajas de las fuentes de alimentación sin ventilador y la gestión de energía, consulte las fuentes de alimentación MEAN WELL UHP y PHP