Fuentes de alimentación lineales y conmutadas: ¿cuál es la diferencia?

Las fuentes de alimentación lineales y conmutadas se utilizan para alimentar dispositivos electrónicos. ¡Aprende su diferencia, cómo funcionan y cuándo usarlos en este artículo!

Es probable que esté utilizando un teléfono inteligente, una computadora portátil o una computadora personal a diario. Estos dispositivos electrónicos utilizan corriente continua (CC) para funcionar. Sin embargo, dado que los hogares normalmente funcionan con corrientes alternas (CA) de alto voltaje, deberá reducir el voltaje y convertir CA a CC utilizando una fuente de alimentación como su fuente de alimentación o cargador.

Las fuentes de alimentación más comunes utilizadas hoy en día son las fuentes de alimentación lineales y conmutadas. Saber cuál usar para aplicaciones específicas mantendrá sus dispositivos electrónicos seguros y funcionando de manera óptima.

Continúe leyendo a continuación para ver una comparación entre las fuentes de alimentación lineales y conmutadas.

Las fuentes de alimentación lineales y de conmutación son dispositivos eléctricos que se utilizan para alimentar y cargar dispositivos electrónicos de CC. Estos dispositivos tienen la tarea de hacer dos cosas: bajar el voltaje y convertir CA a CC. Aunque ambos dispositivos reducen y rectifican la potencia, la diferencia en cómo logran estas tareas los hace más adecuados para ciertas aplicaciones.

Una fuente de alimentación lineal es un dispositivo que se utiliza en operaciones de bajo ruido y precisión. Su uso de transformadores pesados ​​y filtros analógicos permite que esta fuente de alimentación genere voltajes limpios a costa de una baja eficiencia, un peso más pesado y un tamaño más grande. Las fuentes de alimentación lineales se utilizan mejor en equipos de grabación, instrumentos musicales eléctricos, equipos médicos y herramientas de medición de laboratorio de alta precisión.

Se utiliza una fuente de alimentación conmutada o conmutada (SMPS) para operaciones de alta eficiencia y alta corriente. A diferencia de las fuentes de alimentación lineales, las fuentes de alimentación conmutadas emplean el uso de componentes de estado sólido para modular y regular los voltajes entrantes. Estas fuentes de alimentación se basan en la conmutación de alta frecuencia mediante transistores de potencia, lo que las hace ruidosas pero muy eficientes energéticamente, ligeras y compactas. Las fuentes de alimentación conmutadas a menudo se usan en computadoras, cargadores de teléfonos, equipos de fabricación y muchos dispositivos electrónicos de bajo voltaje.

Usando componentes puramente analógicos disponibles en los años 50, las fuentes de alimentación lineales tenían que depender de transformadores de potencia pesados ​​y condensadores electrolíticos voluminosos para reducir y rectificar los voltajes. Aunque los transistores ya se producían en masa entonces, los altos voltajes de CA simplemente producían demasiado calor para que los transistores los manejaran.

Aquí hay un esquema de una fuente de alimentación lineal:

Una fuente de alimentación lineal funciona en tres pasos:

Paso 1:Reduzca el alto voltaje de CA entrante mediante el uso de un transformador.

Paso 2:El voltaje reducido luego pasa a través de un rectificador de puente completo, que rectifica el voltaje de CA a voltajes de CC pulsantes.

Paso 3: Las señales de tensión continua pulsante pasan a través de un filtro compuesto por inductores y condensadores. Este filtro suavizante elimina las fluctuaciones de la señal de un voltaje de CC pulsante, haciéndolos utilizables para dispositivos electrónicos delicados.

Las fuentes de alimentación conmutadas son dispositivos complejos que utilizan componentes de estado sólido para realizar la conmutación de alimentación de alta frecuencia y un transformador de núcleo de ferrita más pequeño. Estos tipos de fuentes de alimentación pueden aumentar y disminuir los voltajes mediante el uso de un circuito de retroalimentación de CC para controlar los voltajes de salida.

Así es como funcionan:

Paso 1 : La CA de alto voltaje ingresa a la fuente de alimentación a través de un módulo de protección de circuito compuesto por un fusible y un filtro EMC. El fusible es para protección contra sobretensiones y el filtro EMC protege el circuito de las ondas de señal que provienen de la CA sin filtrar.

Paso 2: Después de asegurarse de que el circuito esté bien protegido, la CA de alto voltaje pasa a través del segundo módulo compuesto por un rectificador de puente completo y un condensador de suavizado. El rectificador de puente completo convierte la CA en CC pulsante, que luego se suaviza con un capacitor.

Paso 3: Luego, la CC de alto voltaje se envía a través de un controlador PWM, que recibe retroalimentación y controla un MOSFET de potencia que regula el voltaje a través de la conmutación de alta frecuencia. La conmutación también convierte la corriente continua directa en una onda cuadrada.

Etapa 4:La onda cuadrada de CC ahora ingresa a un transformador con núcleo de ferrita, transformando las señales nuevamente en ondas cuadradas de CA.

Paso 5 : Las ondas cuadradas de CA pasan a través de un puente rectificador, convirtiendo la señal en CC pulsante y luego pasándola a través de un filtro suavizante. Luego, la salida final se usa para enviar señales al controlador PWM, que crea un circuito de retroalimentación que regula los voltajes de salida.

Hay diferentes razones por las que se elige una fuente de alimentación para usarla en aplicaciones específicas. Estos a menudo incluirían eficiencia, ruido, confiabilidad y reparabilidad, tamaño y peso, y costo. Ahora que tiene una idea general de cómo funcionan, así es como su forma de procesar la energía afecta su rendimiento y usabilidad en ciertas aplicaciones.

Debido a que la electricidad tiene que pasar por una serie de componentes eléctricos y electrónicos, el proceso de rectificación y regulación de voltajes siempre tendrá ineficiencias. ¿Pero cuanto?

Según su clasificación, las fuentes de alimentación conmutadas pueden tener una eficiencia del 80 al 92 %. Esto significa que su dispositivo puede generar entre el 80 y el 92 % de la energía que le ha puesto. Su eficiencia proviene del uso de componentes más pequeños pero eficientes que regulan los voltajes a través de la conmutación de bajo voltaje de alta frecuencia.

Por el contrario, una fuente de alimentación lineal solo puede tener una eficiencia energética del 50 al 60 % debido al uso de componentes más grandes y menos eficientes.

Aunque ineficientes, las fuentes de alimentación lineales compensan sus ineficiencias a través de sus salidas de señal estables, limpias y de bajo ruido. El uso de componentes analógicos de una fuente de alimentación lineal les permite procesar la electricidad de una manera suave y sin conmutación, lo que hace que su salida tenga poca ondulación o poco ruido.

Por otro lado, las fuentes de alimentación conmutadas se basan en la conmutación de alta frecuencia de voltajes bajos para reducir el calor, tener mejores eficiencias y producir mucho ruido. La cantidad de ruido de la señal depende del diseño y la calidad de la fuente de alimentación conmutada específica.

El tamaño y el peso de una fuente de alimentación pueden afectar en gran medida su aplicación en dispositivos electrónicos más pequeños. Dado que las fuentes de alimentación lineales utilizan componentes pesados ​​y voluminosos, su uso en dispositivos electrónicos discretos es imposible a menos que utilice la fuente de alimentación como cargador.

En cuanto a las fuentes de alimentación conmutadas, dado que utilizan componentes pequeños y livianos, pueden diseñarse para que sean lo suficientemente pequeñas como para integrarse en dispositivos ya más pequeños. El bajo peso y el pequeño tamaño de una fuente de alimentación conmutada, combinados con su eficiencia energética, hacen que sea aplicable a la gran mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles.

Con piezas menores que podrían romperse durante el funcionamiento, las fuentes de alimentación lineales ofrecen salidas consistentes y confiables. La simplicidad en el diseño y el uso de componentes electrónicos más comunes facilitan que las personas obtengan piezas y reparen suministros lineales.

Al tener componentes significativamente más delicados, es más probable que las fuentes de alimentación conmutadas se rompan antes que una fuente de alimentación lineal. Sin embargo, un buen diseño y el uso de componentes de calidad pueden hacer que las fuentes de alimentación conmutadas sean muy fiables, tal vez incluso tan fiables como las fuentes de alimentación lineales. El verdadero problema con las fuentes de alimentación conmutadas es que son cada vez más difíciles de reparar cuanto más complejo es su diseño.

En el pasado, las fuentes de alimentación lineales eran los dispositivos más rentables debido a su diseño simple y al uso de menos componentes. Tampoco ayudó que la fabricación de componentes semiconductores fuera costosa. Sin embargo, dado que los semiconductores tenían una mayor demanda, los fabricantes pudieron escalar y fabricar componentes de estado sólido exponencialmente más baratos que antes. Esto, a su vez, hace que muchos diseños de fuentes de alimentación conmutadas sean más rentables que las fuentes de alimentación lineales.

Eso es todo lo que necesita saber sobre las fuentes de alimentación lineales y conmutadas. Para asegurarse de que sus dispositivos electrónicos estén seguros, use siempre los cargadores originales que vienen con el dispositivo, pero si no están disponibles, siempre puede comprar un adaptador de corriente.

Antes de comprar, recuerde que las fuentes de alimentación lineales son ideales para la electrónica utilizada para aplicaciones de precisión, como instrumentos musicales eléctricos, radios y herramientas médicas, mientras que las fuentes de alimentación conmutadas se utilizan para situaciones de alta eficiencia, como fuentes de alimentación para computadoras, cargadores e iluminación.

Deseoso de aprender cómo funcionaban las cosas, Jayric Maning comenzó a jugar con todo tipo de dispositivos electrónicos y analógicos durante su adolescencia. Se dedicó a la ciencia forense en la Universidad de Baguio, donde se familiarizó con la informática forense y la seguridad cibernética. Actualmente está estudiando mucho por su cuenta y experimentando con la tecnología, averiguando cómo funciona y cómo podemos usarla para hacer la vida más fácil (¡o al menos más fresca!).