Fuente de Poder de DC

¿Qué es una fuente de poder?

En general, una fuente de poder es una fuente de energía, esta energía puede ser de varios típos, energía térmica, atómica, eléctrica, Etc. En el medio de la electrónica, la mayoria de la gente llama fuente de poder a un circuito eléctrico que convierte la electricidad de un voltaje de corriente alterna (Vca o Vac en inglés) a un voltaje de corriente directa (Vcd o Vdc en inglés).

El voltaje de corriente alterna o Vca es, por ejemplo, el que obtenemos de la toma de corriente de nuestras casas, el voltaje y la corriente es alterna ya que su polaridad varia con una frecuencia especifica. Por ejemplo el voltaje nominal de México es de 110 volts a 60 Hz. El mismo que se usa en USA, pero diferente al que se tiene por ejemplo en Argentina, Japón o Europa.

El voltaje directo tiene una polaridad fija sin variación de frecuencia. Este voltaje es el que usa la gran mayoria de los circuitos electrónicos, ejemplo de este voltaje es el que se encuentra en las pilas alcalinas o las del tipo recargable que encontramos por ejemplo en el teléfono móvil.

La mayoria de los circuitos electrónicos usa voltaje directo, pero siempre tienen un tipo de fuente de poder que transforma el Vca a Vcd, la fuente puede ser externa o interna. Un cargador de baterias se considera una fuente de poder, por que transforma el Vca a Vcd para cargar la bateria recargable.

En la ilustración se muestra un cargador típico que convierte la entrada de Vca a Vcd el cual 
tiene una entrada de AC 110-240 volts con frecuencia de 50 a 60 Hz y que demanda 0.2A en la 
entrada. En la salida tiene un voltaje de CD de 5 volts con 0.8 a 1 ampere de salida. La potencia
de salida máxima es de 5 watts. 

	

El voltaje de corriente alterna se usa para transmitir la electricidad de un punto a otro, entre mas lejano es un punto del otro, mayor es la perdida de energía por la transmisión, para minimizar esta perdida, el voltaje se aumenta a varios miles de volts con corrientes pequeñas usando transformadores de subida. Se usan transformadores de bajada, cuando la electricidad se acerca a su destino final.

Las fuentes de poder pueden ser muy simples o muy complejas, el tipo más simple es el cuadro negro que colocamos en la toma de corriente para cargar nuestro teléfono móvil. Las especificaciones de estas fuentes son el voltaje de salida, especificado en volts y la capacidad de corriente, especificada en amperes o potencia, que es el resultado de la multiplicación del voltaje y la corriente máxima disponible. La potencia se expresa en watts.

Las computadoras de banco usan fuentes de poder de alta eficiencia que proveen varios voltajes fijos a través de conectores estandar, estas fuentes proveen voltajes fijos de +5, +12 y -12 volts por medio varios conectores iguales que se conectan a la tarjeta principal, discos duros y otros componentes de la computadora.

Las personas que diseñan tarjetas electrónicas, los estudiantes de ingenieria y los investigadores suelen usar fuentes de poder para alimentar sus circuitos o experimentos. Estas fuentes usualmente son de salida variable, se puede variar el nivel de voltaje y corriente de manera manual con perillas independientes. Este tipo de fuentes generalmente tiene indicadores de voltaje y corriente. El voltaje se varia para que los circuitos funcionen correctamente, la corriente que se suple se limita para evitar daños en los componentes en caso de que el ensamble bajo prueba este mal ensamblado o diseñado.

En la figura se muestra una fuente de poder de cc de salida variable. La pantalla digital indica 
el voltaje o la coriente de salida. Puede trabajar en modo de CC (corriente contante) o 
CV (voltaje constante), un LED indica el modo en el que funciona. Hay perillas dedicada para
el ajuste de voltaje fino o grueso del voltaje o la corriente. Se tienen tres bornes de conexión.
Uno para el voltaje positivo (rojo) otro para el negativo (negro) y la conexión a tierra física
(verde).

Las fuentes de este tipo pueden trabajar en modo de voltaje constante (CV por sus siglas en inglés) o en modo de corriente constante (CC), un indicador indica si la fuentes esta en modo CV o CC.

El modo de CC o corriente constante puede ser usado en procesos químicos que requieren el paso de una corriente continua por un periodo de tiempo determinado para crear una reacción.

El diseñador electrónico puede tener electrónica análoga y digital en su circuito, y este diseñador requiere de una fuente que pueda proveer más de una fuente de voltaje al mismo tiempo. Una fuente que alimente los circuitos de lógica digital, y otras dos fuentes que alimenten la circuiteria analógica con dos voltajes de polaridad opuesta. Una fuente de poder común en un laboratorio de electrónica tiene tres salidas, una fija de alrededor de 5V y otras dos variables con rangos de 0-30 volts.

Fuente de poder de labotatorio típica. Se usan en escuelas y centros de investigación para 
alimentar circuitos electronicos bajo prueba. Este módelo proporciona 3 salidas independientes
con rangos de 0-30 volts y 0-3 amperes, y una salida fija de 5 volts con una corriente de 0-3 A.
Estas fuentes son muy flexibles ya que las salidas variables se pueden configurar en modo serie
o paralelo para obtener el doble de voltaje o corriente en la salida.

Las salidas de una fuente de poder normalmente están flotadas. Esto para poder referenciar el voltaje al negativo del circuito, que podria ser diferente a la tierra física de la instalación eléctrica. Otra razón por la que las salidas de las fuentes son flotadas es para poder invertir la polaridad, o para conectarlas de manera serial o de paralela para doblar la capacidad de voltaje en el primer caso o la capacidad de corriente en el segundo caso.

Las fuentes de laboratorio para probar prototipos son de baja potencia, con rango de 80 a 300 watts, con una a cuatro salidas individuales para mayor flexibilidad.

Para aplicaciones que requieren mayor potencia y rangos mas amplios de voltaje y corriente se tienen las fuentes de alta potencia, las hay desde 600W de salida, hasta varias decenas de kilowatts. Las aplicaciones para estas fuentes se pueden encontrar en manofactura, donde se requiere alimentar varios circuitos al mismo tiempo, o simular baterias de alta corriente como las que encontramos en los autos o en aviones. A veces estas fuentes de alta potencia se usan para proceso químicos como el cromado o la ionizacion.

Las fuentes de alta potencia y gran eficiencia para el uso de procesos de manofactura se
diseñan para ser montadas en rack, ya que son parte de un panel de instrumentos. Esta fuente
tiene control de voltaje y corriente del tipo lock que evita que los parámetros sean movidos
por alguien ajeno al proceso o por equivocación. Esta fuente tiene hasta 3 KW o KVA de salida.

El control de las fuentes se puede hacer variando manualmente las perillas de voltaje y corriente. Pero en una planta de manofactura, por ejemplo, se requiere que un controlador o computadora se comunique con la fuente para controlarla remotamente. Existen varias formas de controlar remotamente una fuente de poder, entre las opciones de control remoto podemos mencionar RS232, GPIB, USB y LAN con puerto Ethernet. Hay algunos métodos análogos que controlan la salida usando una señal de control análoga proporcional a la salida de voltaje deseada, y una señal para el encendido o apagado de la salida.

Una aplicación donde se usa el control remoto usando una computadora es en una fábrica de breakers donde checan cada uno de los breakers aplicando la corriente necesaria para hacer que el breaker actue cortando la corriente, un sistema automático puede incrementar la corriente hasta cierto punto y sensar con que corriente el breaker actua, una señal del controlador puede mandar el breaker a lote de breakers bueno o separarlo por defectuoso.

Arriba se muestra la parte trasera de la fuente de poder mencionada en la figura anterior. 
De izquierda a derecha y de arriba a abajo podemos notar primero los bornes de conexión de la
salida de CD (corriente directa). En las fuentes de alta potencia de salida se requiere una
instalación electrica profesional donde se usan tres fases indicadas aqui como L1/F1, L2/F2
y L3/F3, cada phase con su respectivo fusible de protección. Abajo a la derecha se ve el 
conector tipo D para control remoto, útil para controlar la fuente con un PLC. Los dos cables
blancos que van a un conector J11 en la parte de abajo. Esta es la conexión de sensado que ayuda
a compensar la caida de voltaje en los cables de la salida, por default se conectan directamente
a la salida, pero se pueden conectar a la carga para compensar caidas de voltaje.

Las fuentes de poder de laboratorio tambien suelen tener terminales de sensado, en inglés denominadas sense, una terminal positiva y otra negativa, estas terminales se usan para compensar la caida de voltaje que se presenta en los cables que van de la fuente de poder al ensamble bajo prueba.

Existen también fuentes de poder de corriente alterna, la entrada de estas fuentes es también voltaje de C.A. La diferencia es que una fuente de laboratorio de CA puede variar su voltaje de salida con mucha exactitud, variar su frecuencia, y en algunos casos inclusive variar el contenido armónico para estresar diseños de fuentes que transforman VCA a VCD o probar maquinas que funcionan con voltaje alterno, como los motores de CA, que usan una o varias fases.

Clasificación de las Fuentes de Poder.

Figura 1: Fuente de alimentacion

También conocida como Fuente de Alimentación (power supply en ingles) se pueden definir como circuitos que transforman la alimentación de entrada, ya sea AC o DC; en salida de alimentación AC o DC.

Esta definición excluye la Fuente de energía basada en el principio de una maquina rotatoria y la distingue la Fuente de alimentación de la mayoría de las Fuentes de energía que obtienen su alimentación de otras formas de energía.

Existen cuatro clasificaciones generales para la Fuente de alimentación:

1. Entrada AC – Salida AC: Reguladores de línea y cambiadores de frecuencia

2. Entrada DC – Salida DC: Convertidores y Reguladores de DC

3. Entrada DC – Salida AC: Inversores

4. Entrada AC – Salida DC

La última categoría es la más común de todas y es a la cual usualmente nos referimos como Fuente de alimentación .

Existen también cuatro modos de operación que la fuente de alimentación con salida de DC puede proveer:

• Voltaje de salida constante: El voltaje de salida se mantiene constante a pesar de los cambios de carga, temperatura o línea. Una fuente de poder de DC ideal tendría cero impedancia de salida en todas las frecuencias. Para obtener una salida constante sin efecto de rizado se requiere un elemento de control o una técnica de regulación

Las técnicas de regulación más conocidas son:

a) Regulación lineal

b) Pre regulación o regulación en serie

c) Conmutada

d) A través de SCR

• Corriente de salida constante: La corriente de salida se mantiene constante a pesar de los cambios en la carga, salida o temperatura. La fuente de poder que provee corriente constante debería de tener una impedancia de salida infinita a toda frecuencia. Este tipo de fuentes de poder de corriente constante tiene muchas aplicaciones en diseño de circuitos y pruebas de semiconductores.

• Limite de voltaje

• Limite de corriente

La fuente de poder puede ser programable, por medio de una computadora con puertos de comunicación USB, Ethernet (LXI), GPIB o RS232.

Estas interfaces se usan en sistemas automatizados de prueba y medición.

Algunas fuentes de alimentación pueden ser programadas desde su panel frontal con una rutina de trabajo específica, como las series SGI de Sorensen.

La potencia de salida de una fuente se obtiene al multiplicar su capacidad máxima de voltaje y corriente. Así, una fuente que genera un voltaje de salida de DC de 300 volts a 10 amperes tendrá una potencia de (300 x 10) 3000 Watts o 3 KW (Kilo-Watts).