En los artículos anteriores, hemos hablado de los 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 tiene que ver con las señales (en forma de tensión o corriente) y con el procesamiento de las señales mediante componentes y circuitos. La electrónica de semiconductores es posible gracias al procesamiento de las señales electrónicas como valores binarios (0 y 1, o Bajo y Alto). Esta aplicación de la electrónica de semiconductores 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 «computación». Pronto, los ingenieros e investigadores idearon formas de medir diversas magnitudes físicas convirtiéndolas en señales eléctricas analógicas y digitalizando esas señales analógicas en valores digitales. También idearon formas de convertir las señales digitales en señales eléctricas analógicas equivalentes. Ahora, los ordenadores también pueden interactuar y responder al mundo físico.
La mayor parte de la electrónica moderna trata de la «computación electrónica» y sus aplicaciones al mundo real. La computación electrónica, combinada con las tecnologías de visualización y los dispositivos electrónicos de entrada/salida, conduce al desarrollo de ordenadores de propósito general. La computación electrónica, combinada con diversas tecnologías de comunicación, conduce al desarrollo de las tecnologías de telecomunicación, televisión e Internet. La computación electrónica, combinada con la comunicación inalámbrica y los sensores, conduce al desarrollo de la electrónica móvil y los wearables. La computación electrónica combinada con sensores y actuadores conduce al desarrollo de aplicaciones como los sistemas embebidos, la robótica y la automatización.
Pero, antes de comenzar el interminable viaje de los semiconductores y la electrónica digital, será mejor tener algunos conocimientos básicos sobre las fuentes de alimentación. La fuente de alimentación es la que da vida a cualquier circuito o dispositivo electrónico. Todo circuito o dispositivo electrónico necesita esencialmente tener una sección de alimentación o puede necesitar conectarse como carga con un circuito de alimentación externo.
La fuente de energía eléctrica puede ser líneas de transmisión eléctrica (electricidad de la red), sistemas electromecánicos (alternadores y generadores), energía solar o dispositivos de almacenamiento como pilas y baterías. Las fuentes de alimentación son convertidores de potencia que convierten la energía eléctrica de una fuente en tensión, corriente y frecuencia adecuadas para un circuito de carga. La fuente de energía eléctrica puede ser CA o CC. Como los generadores y la red eléctrica, la electricidad proporciona energía de CA, mientras que las baterías y los dispositivos solares proporcionan energía de CC. Un circuito de alimentación puede recibir energía de una fuente de CA o CC, y emitir energía de CA o CC convertida para adaptarse a una carga. Así, los circuitos de alimentación pueden clasificarse como fuentes de CA a CA, CA a CC, CC a CC y CC a CA.
Las 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 la fuente de CC lineal no regulada, la fuente de CC lineal regulada (fuente de alimentación de banco), las fuentes de alimentación reguladas por conmutación y la fuente de alimentación regulada por ondulación. Las fuentes de alimentación basadas en baterías, las fuentes de alimentación 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 alimentación solar se utilizan para alimentar directamente los circuitos electrónicos, mientras que los convertidores CC a CC se utilizan generalmente para convertir la CC de entrada a diferentes niveles para alimentar diferentes circuitos en el mismo dispositivo en lugar de utilizar diferentes fuentes de CA a CC para obtener diferentes niveles de tensión/corriente. Los inversores, los generadores y los SAI son fuentes de alimentación de CC a CA de uso común.
Fuente de alimentación de CA variable
Las fuentes de alimentación de CA variable se diseñan utilizando transformadores o autotransformadores ajustables. Se utilizan para convertir los niveles de tensión de CA a CA. Se puede utilizar un transformador con múltiples devanados o derivaciones para diseñar dicha fuente de alimentación, o bien se puede utilizar un autotransformador ajustable. Estas fuentes convierten los niveles de tensión y corriente de CA mientras la frecuencia de la fuente de alimentación permanece inalterada.
Cambiadores de frecuencia
Los cambiadores de frecuencia se utilizan para convertir la frecuencia de la alimentación de CA. Pueden diseñarse utilizando dispositivos electromecánicos como un grupo motor-generador o con la ayuda de un grupo rectificador-inversor. El rectificador convierte primero la CA en CC y, a continuación, el inversor vuelve a convertir la CC en CA de diferentes frecuencias.
Los transformadores de aislamiento
Se utilizan para el suministro de CA a CA, donde se requiere la adaptación de la impedancia entre la fuente de alimentación y el circuito de carga. Los transformadores de aislamiento no suelen convertir los niveles de tensión ni la frecuencia de la fuente de alimentación. Son útiles para conectar circuitos equilibrados y desequilibrados.
Estos transformadores de aislamiento se utilizan para elevar o reducir la tensión manteniendo aislados los circuitos de red y de salida mediante un aislamiento reforzado con certificación CE. (Imagen: Transformador de señal)
Las fuentes de alimentación lineales no reguladas
Las fuentes de alimentación lineales no reguladas son simples fuentes de alimentación de CA a CC. Se diseñan utilizando un transformador reductor, un rectificador, un condensador de filtro y una resistencia de sangrado. En primer lugar, un transformador convierte la tensión de línea en el nivel de tensión requerido en CA. A continuación, la tensión alterna reducida se convierte en tensión continua mediante un rectificador de media onda o de onda completa. El rectificador se diseña con diodos. La CC pulsante del rectificador se suaviza con condensadores de filtro. Se puede conectar una resistencia de sangrado en paralelo al condensador de filtro para su protección.
Las fuentes de alimentación no reguladas son sencillas y duraderas. Sin embargo, su tensión de salida puede variar debido a la variación de la tensión de entrada o de la corriente de carga. Por lo tanto, no son muy fiables. Además, sólo pueden diseñarse para dar salida a una tensión y corriente fijas.
Fuente de alimentación regulada lineal
Las fuentes de alimentación reguladas lineales son fuentes de alimentación de CA a CC. Son lo mismo que las fuentes de alimentación no reguladas (fuerza bruta), excepto que utilizan un circuito de transistores que opera en una región activa o lineal en lugar de una resistencia de sangrado. Esta etapa activa de transistores permite la salida a diferentes niveles precisos de tensión continua. Existen varios circuitos integrados reguladores de tensión que llevan integrado un circuito de transistores activos. Las fuentes de alimentación reguladas linealmente son estables, seguras, fiables y sin ruido. Hay circuitos integrados reguladores de tensión disponibles para una amplia gama de tensiones de entrada y salida y producen tensiones fijas de CC. Las principales desventajas de estas fuentes son su coste, tamaño y eficiencia energética. Estas fuentes pierden mucha energía debido a la disipación de energía y pueden necesitar el uso de un disipador de calor con los CI reguladores.
La fuente lineal de Acopian Power Supplies (arriba) es un factor de diez más grande y más pesada que una fuente de conmutación comparable (abajo) que también es de Acopian, pero la unidad lineal tiene atributos beneficiosos que la fuente de conmutación no puede igualar.
Fuente de alimentación regulada conmutada
Las fuentes de alimentación reguladas conmutadas son complejas fuentes de alimentación de CA a CC que tienden a combinar las ventajas de las fuentes de alimentación no reguladas y reguladas. En las SMPS, la tensión de línea se rectifica a CC y luego se convierte de nuevo en CA de onda cuadrada con la ayuda de transistores de conmutación. Esta onda cuadrada de alta frecuencia se reduce o aumenta y se rectifica de nuevo. La tensión de CC rectificada se filtra antes de suministrarla a una carga.
La fuente de alimentación regulada por ondas
La fuente de alimentación regulada por ondas es una variación mejorada de la fuente de alimentación de CA a CC no regulada. Está diseñada combinando una fuente de alimentación no regulada con un circuito de transistores que funciona en la región de saturación. El circuito de transistores transfiere la corriente continua a un condensador para mantener los niveles de tensión. La principal ventaja de la fuente regulada por ondulación es su eficiencia energética.
Fuentes de alimentación reguladas ajustables
Las fuentes de alimentación reguladas lineales pueden modificarse para proporcionar un rango de tensiones ajustables utilizando una resistencia variable en la etapa final. La resistencia variable puede reducir la tensión de salida a valores ajustables. Una fuente de alimentación ajustable de este tipo puede entonces suministrar tensiones en el rango de cero a la tensión máxima regulada por la fuente. Las fuentes de alimentación reguladas lineales simétricas pueden modificarse para suministrar también tensiones en polaridad negativa.
Fuentes de alimentación de baterías y solares
Las baterías, las pilas y los paneles solares suministran energía de CC. La energía procedente de los dispositivos de almacenamiento o de los paneles solares debe filtrarse primero para eliminar las ondas pulsantes. A continuación, puede regularse a los niveles de tensión continua deseados utilizando circuitos integrados reguladores de tensión. Si la tensión de alimentación de una batería o un panel solar necesita ser aumentada, puede hacerse utilizando transistores como amplificadores.
Convertidores de CC a CC
Los convertidores de CC a CC se utilizan para aumentar o reducir las tensiones de CC. Los convertidores CC-CC pueden ser de tipo semiconductor, electromecánico o electroquímico. Los SMPS de CC a CC, como el convertidor push-pull, el convertidor buck, el convertidor boost y el convertidor buck-boost, son algunos ejemplos de convertidores de CC a CC de tipo semiconductor. Estas fuentes se utilizan generalmente para convertir la CC (rectificada de la electricidad de la red u otra fuente de CA) para proporcionar diferentes niveles de CC en lugar de utilizar muchas fuentes de CA a CC en un dispositivo.
Un ejemplo de fuente de alimentación CC-CC de 2 W en SMD (Imagen: Recom).
Fuentes de alimentación de CC a CA
Estos tipos de fuentes de alimentación se utilizan generalmente para la reserva de energía. Los inversores, los SAI y los generadores son ejemplos de este tipo de sistemas de alimentación.
Los aficionados a la electrónica y los ingenieros suelen utilizar fuentes de alimentación reguladas lineales 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 con panel(es) solar(es).
Para los principiantes, siempre es conveniente comenzar con una fuente de alimentación regulada lineal que proporcione voltajes de CC de uso común como 12V, 9V, 5V y 3V. Para los circuitos portátiles, se pueden conseguir los mismos voltajes utilizando fuentes reguladas basadas en baterías. Las fuentes reguladas basadas en baterías pueden requerir la sustitución de la batería a intervalos regulares. Por lo tanto, una fuente de alimentación regulada lineal que proporcione los niveles de voltaje de CC más utilizados es lo mejor para la creación de prototipos y la prueba de circuitos electrónicos. Los circuitos de producción pueden entonces ser alimentados por baterías o circuitos basados en paneles solares si es necesario.
En el próximo artículo, hablaremos de las células y las baterías.
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