Diferencia clave: SMPS frente a fuente de alimentación lineal
La mayoría de los dispositivos electrónicos y eléctricos requieren voltaje de CC para funcionar. Estos dispositivos, especialmente los dispositivos electrónicos con circuitos integrados, deben recibir un voltaje de CC confiable y sin distorsiones para que funcionen sin fallas ni quemaduras. El propósito de una fuente de alimentación de CC es suministrar voltaje de CC limpio a estos dispositivos. Las fuentes de alimentación de CC se clasifican en lineales y de modo conmutado, que son las topologías involucradas para convertir la fuente de alimentación de CA en CC uniforme. La fuente de alimentación lineal utiliza un transformador para reducir directamente el voltaje de la red de CA al nivel deseado, mientras que SMPS convierte la CA en CC mediante un dispositivo de conmutación que ayuda a obtener un valor promedio del nivel de voltaje deseado. Esta es la diferencia clave entre SMPS y la fuente de alimentación lineal.
¿Qué es una fuente de alimentación lineal?
En una fuente de alimentación lineal, el voltaje de CA de la red se convierte directamente a un voltaje más bajo mediante un transformador reductor. Este transformador tiene que manejar una gran potencia ya que trabaja a la frecuencia de red AC 50/60Hz. Por lo tanto, este transformador es voluminoso y grande, lo que hace que la fuente de alimentación sea pesada y grande.
El voltaje reducido se rectifica y se filtra para obtener el voltaje de CC requerido para la salida. Dado que la tensión a este nivel está sujeta a variar en función de las distorsiones de la tensión de entrada, se realiza una regulación de tensión antes de la salida. El regulador de voltaje en una fuente de alimentación lineal es un regulador lineal, que suele ser un dispositivo semiconductor que actúa como una resistencia variable. El valor de la resistencia de salida cambia con el requisito de potencia de salida, lo que hace que el voltaje de salida sea constante. Por lo tanto, el regulador de voltaje funciona como un dispositivo de disipación de energía. La mayor parte del tiempo, disipa el exceso de energía para que el voltaje sea constante. Por lo tanto, el regulador de voltaje debe tener grandes disipadores de calor. Como resultado, las fuentes de alimentación lineales se vuelven mucho más pesadas. Además, como resultado de la disipación de energía por parte del regulador de voltaje en forma de calor, la eficiencia de una fuente de alimentación lineal cae hasta un 60%.
Sin embargo, las fuentes de alimentación lineales no producen ruido eléctrico en el voltaje de salida. Proporciona aislamiento entre la salida y la entrada debido al transformador. Por lo tanto, las fuentes de alimentación lineales se utilizan para aplicaciones de alta frecuencia, como dispositivos de radiofrecuencia, aplicaciones de audio, pruebas de laboratorio que requieren un suministro sin ruido, procesamiento de señales y amplificadores.
Figura 01: Fuente de alimentación con un regulador de voltaje lineal
¿Qué es SMPS?
SMPS (fuente de alimentación de modo conmutado) funciona en un dispositivo de transistor de conmutación. Al principio, la entrada de CA se convierte en voltaje de CC mediante un rectificador, sin reducir el voltaje, a diferencia de una fuente de alimentación lineal. Luego, el voltaje de CC se somete a una conmutación de alta frecuencia, generalmente por un transistor MOSFET. Es decir, el voltaje a través del MOSFET se activa y desactiva mediante la señal de la puerta MOSFET, generalmente una señal modulada por ancho de pulso de aproximadamente 50 kHz (bloque chopper/inversor). Después de esta operación de corte, la forma de onda se convierte en una señal de CC pulsada. Después de eso, se utiliza un transformador reductor para reducir el voltaje de la señal de CC pulsada de alta frecuencia al nivel deseado. Finalmente, se utiliza un rectificador de salida y un filtro para recuperar el voltaje de CC de salida.
Figura 02: Diagrama de bloques de un SMPS
La regulación de voltaje en SMPS se realiza a través de un circuito de retroalimentación que monitorea el voltaje de salida. Si el requerimiento de potencia de la carga es alto, el voltaje de salida tiende a aumentar. Este incremento es detectado por el circuito de retroalimentación del regulador y se usa para controlar la relación de encendido a apagado de la señal PWM. Por lo tanto, el voltaje de la señal promedio cambia. Como resultado, el voltaje de salida se controla para que se mantenga constante.
El transformador reductor utilizado en el SMPS funciona a alta frecuencia; por lo tanto, el volumen y el peso del transformador son mucho menores que los de una fuente de alimentación lineal. Esto se convierte en una razón importante para que un SMPS sea mucho más pequeño y liviano que su contraparte de tipo lineal. Además, la regulación de voltaje se realiza sin disipar el exceso de energía como pérdida óhmica o calor. La eficiencia de la SMPS llega al 85-90 %.
Al mismo tiempo, un SMPS genera ruido de alta frecuencia debido a la operación de conmutación del MOSFET. Este ruido se puede reflejar en el voltaje de salida; sin embargo, en algunos modelos avanzados y costosos, este ruido de salida se mitiga hasta cierto punto. Además, la conmutación crea también interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia. Por lo tanto, se requiere usar blindaje de RF y filtros EMI en los SMPS. Por lo tanto, las SMPS no son aplicaciones de audio y radiofrecuencia adecuadas. Los equipos menos sensibles al ruido, como cargadores de teléfonos móviles, motores de CC, aplicaciones de alta potencia, etc., se pueden usar con SMPS. Su diseño más liviano y pequeño lo hace conveniente para usarse también como dispositivos portátiles.
¿Cuál es la diferencia entre SMPS y la fuente de alimentación lineal?
SMPS frente a fuente de alimentación lineal |
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| SMPS rectifica directamente la red AC sin reducir el voltaje. Luego, la CC convertida se cambia a alta frecuencia para que un transformador más pequeño la reduzca al nivel de voltaje deseado. Finalmente, la señal de CA de alta frecuencia se rectifica al voltaje de salida de CC. | La fuente de alimentación lineal reduce el voltaje al valor deseado al principio mediante un transformador más grande. Después de eso, la CA se rectifica y se filtra para generar el voltaje de CC de salida. |
| Regulación de voltaje | |
| La regulación de voltaje se realiza controlando la frecuencia de conmutación. El voltaje de salida es monitoreado por el circuito de retroalimentación y la variación de voltaje se usa para el control de frecuencia. | El voltaje de CC rectificado y filtrado se somete a una resistencia de salida de un divisor de voltaje para generar el voltaje de salida. Esta resistencia es controlable por un circuito de retroalimentación que monitorea la variación del voltaje de salida. |
| Eficiencia | |
| La generación de calor en SMPS es comparativamente baja ya que el transistor de conmutación opera en las regiones de corte y de inanición. El pequeño tamaño del transformador de salida también hace que la pérdida de calor sea pequeña. Por lo tanto, la eficiencia es mayor (85-90%). | El exceso de potencia se disipa en forma de calor para que el voltaje sea constante en una fuente de alimentación lineal. Además, el transformador de entrada es mucho más voluminoso; por lo tanto, las pérdidas del transformador son mayores. Por lo tanto, la eficiencia de una fuente de alimentación lineal es tan baja como 60%. |
| Construir | |
| El tamaño del transformador de un SMPS no necesita ser grande ya que opera en alta frecuencia. Por lo tanto, el peso del transformador también será menor. Como resultado, el tamaño y el peso de una SMPS es mucho menor que el de una fuente de alimentación lineal. | Las fuentes de alimentación lineales son mucho más voluminosas ya que el transformador de entrada tiene que ser grande debido a la baja frecuencia con la que opera. A medida que se genera más calor en un regulador de voltaje, también se deben usar disipadores de calor. |
| Distorsiones de voltaje y ruido | |
| SMPS genera un ruido de alta frecuencia debido a la conmutación. Esto pasa a la tensión de salida, así como a veces a la red de entrada. La distorsión armónica en la red eléctrica también podría ser posible en los SMPS. | Las fuentes de alimentación lineales no producen ruido en la tensión de salida. La distorsión armónica es mucho menor que la de los SMPS. |
| Aplicaciones | |
| SMPS se puede utilizar como dispositivo portátil debido a su pequeño tamaño. Pero como genera un ruido de alta frecuencia, los SMPS no se pueden usar para aplicaciones sensibles al ruido, como aplicaciones de audio y RF. | Las fuentes de alimentación lineales son mucho más grandes y no se pueden utilizar para dispositivos portátiles. Como no generan ruido y además la tensión de salida es limpia, se utilizan para la mayoría de las pruebas eléctricas y electrónicas en laboratorios. |
Resumen: SMPS frente a fuente de alimentación lineal
SMPS y las fuentes de alimentación lineales son dos tipos de fuentes de alimentación de CC en uso. La diferencia clave entre SMPS y la fuente de alimentación lineal son las topologías utilizadas para la regulación de voltaje y la reducción de voltaje. Mientras que la fuente de alimentación lineal convierte la CA a bajo voltaje al principio, SMPS primero rectifica y filtra la CA principal y luego cambia a una CA de alta frecuencia antes de bajar. Dado que el peso y el tamaño del transformador aumentan a medida que disminuye la frecuencia de funcionamiento, el transformador de entrada de las fuentes de alimentación lineales es mucho más pesado y más grande a diferencia del SMPS. Además, como la regulación de tensión se realiza con disipación de calor a través de resistencias, las fuentes de alimentación lineales deben disponer de disipadores de calor que las hagan aún más pesadas. El regulador de SMPS controla la frecuencia de conmutación para controlar el voltaje de salida. Por lo tanto, las SMPS son de menor tamaño y más livianas. Como la generación de calor en SMPS es menor, su eficiencia también es mayor.
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