SMPS(Switching Mode Power Supply)

Introduccin, definicin, tipos, fallas y aplicaciones de las SMPS

Instituto Tcnico Salesiano

Fuentes conmutadas o SMPSTaller de electrnica Cuarto aoElectrnica VIProfesorRamn Gmez AutoresDarmin Jeifrison Ruiz AbreuDiego Rafael Cespedes Contreras#19#13

Introduccin

En este trabajo, hablaremos sobre todo lo concerniente a las fuentes conmutadas, estaremos hablando de que son, para que se aplican, su origen y hablaremos detalladamente de sus estructuracin interna, su divisin es bloques y para qu sirven cada uno de esos bloques, hablaremos de sus topologas, ventajas y desventajas y sus derivados, y agregaremos el mbito de la reparacin para cualquier tcnico interesado en estos tipos de fuentes conmutadas o mejor conocida como SMPS (Switching Mode Power Supply).

Fuentes conmutadas o SMPS

Unafuente conmutada o tambin llamada SMPS (Switching Mode Power Supply)es undispositivo electrnicoque transformaenerga elctricamediantetransistoresenconmutacin. Mientras que unregulador de tensinutiliza transistores polarizados en su regin activa de amplificacin, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutndolos activamente a altas frecuencias (20-100 kilociclos tpicamente) entre corte (abiertos) y saturacin (cerrados).La forma de onda cuadrada resultante es aplicada a transformadores con ncleo deferrita(Los ncleos de hierro no son adecuados para estas altas frecuencias porque tienen muchas prdidas debido acorrientes de Foucaulty sobre todo por las grandes prdidas por histresis; recordar que una curva de saturacin normal de acero cocido corresponde a un material con caracterstica dura y alta densidad de flujo) para obtener uno o varios voltajes de salida decorriente alterna(CA) que luego son rectificados (con diodos rpidos)y filtrados (inductores y condensadores)para obtener los voltajes de salida decorriente continua(CC).Las fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos: alimentacin CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro.(Ej.: fuente de alimentacin de ordenador de mesa) alimentacin CA, salida CA:variador de frecuencia, conversor de frecuencia.(Ej.: variador de motor) alimentacin CC, salida CA:inversor(Ej.: generar 220 v/50 ciclos a partir de una batera de 12 v) alimentacin CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente.(Ej.: cargador de bateras de celulares para auto)

Origen y evolucin de las fuentes conmutadas

Como todo en la electrnica su historia remota hacia los siglos XX, a sus inicios con Fleming y Lee de Forest quienes fueron los padres de la electrnica, pero ms especficamente las fuentes conmutadas siguieron esta lnea cronolgica para llegar a evolucionar hasta este tiempo:

1936: Los radios de los automviles usaban vibradores electromecnicos para transformar el suministro de batera de 6 V para una tensin + B adecuado para los tubos de vaco. 1959: Sistema convertidor de oscilaciones transitorias y rectificacin para fuentes de alimentacin, es presentado como la patente 3.040.271 en Estados Unidos. 1970: Se produjeron fuentes de alimentacin de alta eficiencia hasta los aos 1995. 1972: HP- 35, la primera calculadora de bolsillo de Hewlett -Packard, se introduce con la fuente conmutada de transistores para los diodos emisores de luz, los relojes, el tiempo, ROM, y registros. 1976: Fuente de alimentacin conmutada o SMPS, es presentada coma la patente 4.097.773 en Estados Unidos. 1977: El ordenador Apple II fue diseada usando la fuente de alimentacin conmutada, para su tiempo fue un gran avance para las fuentes de alimentacin ya que no se haban utilizado las fuentes de alimentacin conmutadas hasta ese entonces. Fue diseada por Rod Holt, fue contratado como ingeniero en Apple, no obstante la Apple II tena defectos que nunca fueron publicados, sin embargo el aporte que hizo Rod Holt dio un empujn para la creacin de las Fuentes conmutadas que se utilizan en los ordenadores actuales. 1980: El HP8662A 10 kHz - 1,28 GHz generador de seales sintetizadas fue creado con una fuente de alimentacin conmutada.

Diagrama en bloque de las SMPSEntrada de

Regulacin SalidaRectificador de salida Etapa transformadoraEtapa inversoraRectificador de entrada

Rectificador de entrada: si el SMPS tiene una entrada de AC, a continuacin, la primera etapa es convertir la entrada a DC. Esto se llama rectificacin. Un SMPS con una entrada de DC no requiere esta etapa. Etapa inversora: convierte la DC, ya sea directamente de la entrada o de la etapa rectificadora, a la AC mediante la ejecucin a travs de un oscilador de potencia, cuyo transformador de salida es muy pequeo, con unos devanados a una frecuencia de decenas o cientos de kilohercios. La frecuencia se elige generalmente para estar por encima de 20 kHz, para que sea inaudible para los seres humanos. La conmutacin se implementa como una de mltiples etapas (para lograr una alta ganancia) amplificador MOSFET.Etapa transformadora: Si se requiere la salida para ser aislada de la entrada, como suele ser el caso en las fuentes de alimentacin de red, la AC invertida se utiliza para conducir el devanado primario de un transformador de alta frecuencia. Esto convierte la tensin hacia arriba o hacia abajo hasta el nivel de salida deseado en su devanado secundario.Rectificador de salida: Si se requiere una salida DC, la salida de AC del transformador se rectifica. Para tensiones de salida superior a diez voltios o menos, se utilizan comnmente diodos de silicio normales. Para voltajes ms bajos, diodos Schottky se utilizan comnmente como los elementos rectificadores.Regulacin: Un circuito de realimentacin supervisa la tensin de salida y la compara con una tensin de referencia. Dependiendo de los requisitos de diseo / de seguridad, el controlador puede contener un mecanismo de aislamiento (tales como opto-acopladores) para aislarlo de la salida de la DC.

Ventajas y desventajas de las SMPS sobre las fuentes convencionales

Hay dos tipos principales de fuentes de alimentacin reguladas disponibles: conmutadas y lineales. Las razones por las cuales elegir un tipo o el otro se pueden resumir como sigue. Tamao y peso las fuentes de alimentacin lineales utilizan un transformador funcionando a la frecuencia de 50 o 60Hz. Este transformador de baja frecuencia es varias veces ms grande y ms pesado que un transformador correspondiente de fuente conmutada, el cual funciona en frecuencias tpicas de 50 KHz a 1 MHz. Voltaje de la salida las fuentes de alimentacin lineales regulan la salida usando un voltaje ms alto en las etapas previas y luego disipando energa como calor para producir un voltaje ms bajo, regulado. Esta cada de voltaje es necesaria y no puede ser eliminada mejorando el diseo. Las fuentes conmutadas pueden producir voltajes de salida que son ms bajos que el voltaje de entrada, ms altos que el voltaje e incluso inversos al voltaje de entrada, hacindolos verstiles y mejor adaptables a voltajes de entrada variables. Eficiencia, calor, y energa disipada- Una fuente lineal regula el voltaje o la corriente de la salida disipando el exceso de energa como calor, lo cual es ineficaz. Una fuente conmutada usa la seal de control para variar el ancho de pulso, tomando de la alimentacin solamente la energa requerida por la carga. Complejidad- un regulador lineal consiste en ltima instancia un transistor de potencia, un CI de regulacin de voltaje y un condensador de filtro de ruido. En cambio una fuente conmutada contiene tpicamente un CI regulador, uno o varios transistores y diodos de potencia como as tambin un transformador, inductores, y condensadores de filtro. Mltiples voltajes se pueden generar a partir del mismo ncleo de transformador. Interferencia por radiofrecuencia- La corriente en las fuentes conmutadas tiene cambios abruptos, y contiene una proporcin grande de componentes espectrales de alta frecuencia. Cables o pistas largas entre los componentes pueden reducir la eficacia de alta frecuencia de los filtros a condensadores en la entrada y salida. Las fuentes de alimentacin lineales no producen generalmente interferencia, y se utilizan para proveer de energa donde la interferencia de radio no debe ocurrir. Ruido electrnicoen los terminales de salida de fuentes de alimentacin lineales baratas con pobre regulacin se puede experimentar un voltaje de AC pequeo montado sobre la DC de dos veces la frecuencia de alimentacin (100/120 ciclos). Esta ondulacin est generalmente en el orden de varios milivoltios. En cambio las fuentes conmutadas no exhiben generalmente la ondulacin en la frecuencia de la alimentacin, sino salidas generalmente ms ruidosas a altas frecuencias. El ruido est generalmente relacionado con la frecuencia de la conmutacin. Ruido acstico- Las fuentes de alimentacin lineales emiten tpicamente un zumbido dbil, en la baja frecuencia de alimentacin, pero sta es raramente audible (la vibracin de las bobinas y las chapas del ncleo del transformador suelen ser las causas). Las Fuentes conmutadas con su funcionamiento mucho ms alto en frecuencia, no son generalmente audibles por los seres humanos (a menos que tengan un ventilador, como en la mayora de las computadoras personales). El funcionamiento incorrecto de las fuentes conmutadas puede generar sonidos agudos, ya que genera ruido acstico en frecuenciasubarmnicodel oscilador. Factor de potencialas fuentes lineales tienen bajo factor de potencia porque la energa es obtenida en los picos de voltaje de la lnea de alimentacin. La corriente en las fuentes conmutadas simples no sigue la forma de onda del voltaje, sino que en forma similar a las fuentes lineales la energa es obtenida solo de la parte ms alta de la onda sinusoidal, por lo que su uso cada vez ms frecuente en computadoras personales y lmparas fluorescentes se constituy en un problema creciente para la distribucin de energa. Existen fuentes conmutadas con una etapa previa de correccin del factor de potencia que reduce grandemente este problema y son de uso obligatorio en algunos pases particularmente europeos a partir de determinadas potencias. Ruido elctricosobre la lnea de la alimentacin principal puede aparecer ruido electrnico de conmutacin que puede causar interferencia con equipos de A/V conectados en la misma fase. Las fuentes de alimentacin lineales raramente presentan este efecto. Las fuentes conmutadas bien diseadas poseen filtros a la entrada que minimizan la interferencia causada en la lnea de alimentacin principal.

Topologas de las fuentes conmutadas

Las fuentes conmutadas existen en diferentes topologas con caractersticas particulares en cada una.

TopologaPotencia (W)Eficiencia (tpica)Costo relativoTensiones (V)AislamientoAlmacenaje de energaRelacin de tensinCaractersticas

Buck0100075%1.051000*NoInductorSimpleV salida < V entradaDisminuir Tensin

Boost015078%1.05600*NoInductor SimpleV salida > V entradaAumentar Tensin

Buck-boost015078%1.05600*NoInductor SimpleV salida mayor o menor que V entradaPermite invertir la salida

TopologaPotencia (W)Eficiencia (tpica)Costo relativoTensiones (V)AislamientoAlmacenaje de energaRelacin de tensinCaractersticas

Flyback015078%1.05600SiTransformadorV salida mayor o menor que V entradaSalidas Mltiples

Half-Forward025075%1.25-500SiTransformador + inductor

ForwardSiTransformador + inductorSalidas Mltiples

Push-Pull100100072%1.75501000Si

SemipuenteHalf-bridge050072%1.9501000Si

Puente H completo400200069%>2.0501000Si

TopologaPotencia (W)Eficiencia (tpica)Costo relativoTensiones (V)AislamientoAlmacenaje de energaRelacin de tensinCaractersticas

Resonante, conmutada en cruce por cero>1000>2.0

ukNoCondensador + dos inductores-

SEPICNoDos inductoresV salida mayor o menor que V entrada

Multiplicador de tensin0.1-190%0.2500-100000NoCondensadorV salida>>V entradaLos multiplicadores de tensin se utilizan para generar muy altas tensiones.

Filtros EMI/RFI

Filtro EMI (filtro de interferencia electromagntica,o Filtro de radio frecuencia): es un dispositivo electrnico que degrada el campo electromagntico generado por otros dispositivos cercanos a este. Es un fenmeno que ocurre naturalmente cuando elcampo electromagnticode un dispositivo o aparato interrumpe, degrada o impide el campo electromagntico de otro dispositivo, al encontrarse muy cerca de el o quizs conectado a la misma lnea de alimentacin deenerga.Los filtros EMI evitan lainterferencia magnticaentre dispositivos elctricos. Pueden ser desde pequeas resistencias hasta tarjetas con un diseo electrnico y varioscondensadoresintegrados, dependiendo del tipo de aparato en el que se necesitan.Sin estos filtros, sin querer, estamos inyectando a la red, los parsitos de alta frecuencia, procedentes de la conmutacin de nuestros propios aparatos y tambin recibimos todo lo que viene por ella.Filtros en modo comn:Los filtros en modo comn son de dos variedades: para las seales que vienen de la alimentacinACy las que vienen de la lnea de transmisin. Ambas son usadas para suprimir las interferencias EMI en los aparatos electrnicos. Consisten en un ncleotoroidalde material ferro magntico al que se arrolla el cable por donde pasa la interferencia. Esta configuracin acta como bobina de choque y minimiza las interferencias en modo comn de forma satisfactoria. Este montaje deber estar lo ms prximo posible del receptor tanto para el caso de lnea de transmisin como de alimentacin.Filtros del tipo stub:Se usan, como los anteriores para la eliminacin de EMI. Se denominan as porque usan segmentos de cablecoaxialpara construir el filtro. Se suelen usar secciones de cable de un cuarto de onda y de media onda. Se usan principalmente para banda suprimida, es decir para eliminar una banda de frecuencias no deseadas.Aplicaciones:Los filtros EMI son utilizados en la mayora de los equipos electrnicos que utilizan fuentes conmutadas, teniendo especial significacin, por sus efectos inmediatos, en la televisin, radio y audio. Tambin se utilizan en la transmisin de datos en los equipos de conmutacin.

Fuentes conmutadas con PFCUna fuente PFC es una fuente con Corrector de factor de potencia. El factor de potencia expresa en trminos generales, el desfasamiento o no de la corriente con relacin al voltaje, y es utilizado como indicador del correcto aprovechamiento de la energa elctrica, el cual puede tomar valores entre 0 y 1.0, siendo la unidad 1.0 el valor mximo de FP, y por tanto el mejor aprovechamiento de la energa.Para resolver esta situacin se suelen aadir bobinas -usadas en filtros y transformadores-, las cuales, al tener una impedancia inductiva, contrarrestan la capacitiva de la fuente: son los denominados "circuitos de correccin de factor de potencia pasivos". El problema es que, con elementos pasivos como las bobinas, no es posible anular por completo la desadaptacin debido a que la tensin en la lnea no es estable. Adems, obliga a ajustar manualmente el voltaje de la fuente (el clsico conmutador de "110/220 voltios". Estos circuitos, los ms baratos, tan solo permiten aumentar la eficiencia hasta un valor razonable. (Un circuito pasivo es aquel que responde de una forma predefinida a las caractersticas de la seal que lo atraviesa sin analizarla, de forma que suele tener buenos comportamientos en un margen de alimentacin estndar pero que cuando el funcionamiento del circuito se sale de su situacin ideal el comportamiento no es tan bueno). Sin embargo, gracias al constante abaratamiento de la electrnica, hoy en da resulta factible construir por un precio razonable adaptadores activos de impedancia, los cuales pueden lidiar mucho mejor con los cambios que se producen en una fuente conmutada de PC y mantener el factor de potencia prximo a la unidad. Con un controlador activo sera posible, en teora, superar el 95% de eficiencia. El inconveniente es que las fuentes dotadas con estos circuitos son algo ms caras que las que no los llevan. (Los circuitos activos son aquellos que, de una u otra forma, son "inteligentes", y por tanto adaptan comportamiento ante la seal elctrica, en funcin de unas especificaciones de diseo. Son circuitos correctores muy efectivos).Fuentes conmutadas tipo Step-up y Step-down

Step upStep up: la tensin de salida es opuesta a la tensin de entrada.Esta configuracin aumenta el valor de tensin respecto la tensin de entrada. Utiliza los mismos componentes que la configuracin anterior pero los ordenados de otra manera.En esta configuracin cuando el switch est cerrado la corriente circula por la bobina y el transistor ya que el diodo estar en inversa. Esta corriente crecer lentamente.Cuando el switch el circuito. En este momento el inductor invierte la polaridad de su cada de tensin para poder mantener la misma corriente, de esta forma esta tensin se suma a la Vin y as la tensin de salida ser mayor que la tensin de entrada. Durante este periodo el capacitor es cargado y a su vez la carga es alimentada. Cuando se pasa a saturacin nuevamente es el capacitor quien alimenta a carga. Step DownStep Down: la tensin de salida es menos que la tensin de entrada.Esta configuracin reduce el valor de tensin respecto a la tensin de entrada. Esta configuracin posee un filtro LC despus del transistor de conmutacinEn el segundo periodo de tiempo el transistor de conmutacin se abre y la tensin de alimentacin Vin desaparece y entonces al inductor genera una tensin inversa para poder mantener la corriente circulando a travs de l. Esto hace que el diodo se polarice en directa y cierre el circuito formado por inductor capacitor carga y diodo.

Diagrama esquemtico de una fuente conmutadaFallas comunes de una SMPS y sus soluciones

1. Una de las fallas ms comunes y frecuentes es el cruce (o cortocircuito) del transistor regulador o conmutador, provocado generalmente por un pico en la entrada de lnea de AC o por la desvalorizacin de los filtros electrolticos en primario de la fuente, por ello se recomienda el cambio o chequeo de los mismos, cada vez que este se encuentre el transistor en corto.2. El capacitor de arranque, el cual se encuentra en un lugar donde se genera una temperatura elevada. Por esa razn esos capacitores se secan y pierden capacidad. En determinado momento la corriente de arranque no alcanza para que comiencen las oscilaciones. Reemplazar capacitor.3. Por lo general, cuando se pone en cortocircuito, el mosfet circula una corriente muy intensa por el resistor shunt medidor de corriente de primario, Esa corriente debera quemar el fusible, pero en muchos casos se quema primero el resistor shunt.4. Fuente que requiere de varios pulsos de encendido para arrancar: generalmente la falla se asocia a un capacitor electroltico o un transistor asociado a alguna salida fuera de rango5. Una gran proporcin de la fallas de esta fuente se debe al transformador de pulsos. El fenmeno de esta falla no puede determinarse con exactitud, pero las mquinas presentan el transistor mosfet en cortocircuito entre drenaje, fuente y compuerta; pero luego de cambiarlo y controlar el oscilador bsico, la seccin de medicin y la de control se observa que la fuente sigue sin oscilar. Un cambio del transformador vuelve las cosas a fojas cero y la fuente arranca sin inconvenientes.

Conclusin

En este trabajo pudimos comprender una gran variedad de cosas, e introducirnos en el rea de las SMPS o fuentes conmutadas en espaol, pudimos aprender que son, sus tipos, su uso su historia, adems de sus topologas, analizamos su diagrama en bloques y las partes que lo componen, investigamos las desventajas y ventajas sobre las fuentes lineales convencionales, pero la cosa no termino ah, ya que tambin indagamos los derivados de las fuentes conmutadas y sus perifricos, este ha sido u n trabajo muy fructfero al nivel tcnico en electrnica.

Bibliografa

Este trabajo pudo ser realizado gracias a las siguientes pginas que nos brindaron su informacin:

Wikipedia, la enciclopedia libre. Ecured.com Agalisa.es Comunidadelectronicos.com Servepruebas.com