Fuentes de alimentación lineales y conmutadas.
Empecemos con lo básico. La fuente de alimentación de una computadora realiza tres funciones. En primer lugar, la corriente alterna del suministro eléctrico doméstico debe convertirse en corriente continua. La segunda tarea de la fuente de alimentación es reducir el voltaje de 110-230 V, que es excesivo para la electrónica de las computadoras, a los valores estándar requeridos por los convertidores de potencia de los componentes individuales de la PC: 12 V, 5 V y 3,3 V. (así como voltajes negativos, de los que hablaremos un poco más adelante) . Finalmente, la fuente de alimentación desempeña el papel de estabilizador de tensión.
Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación que realizan las funciones anteriores: lineales y conmutadas. La fuente de alimentación lineal más simple se basa en un transformador, en el que el voltaje de corriente alterna se reduce al valor requerido y luego la corriente se rectifica mediante un puente de diodos.
Sin embargo, la fuente de alimentación también es necesaria para estabilizar el voltaje de salida, lo que es causado tanto por la inestabilidad del voltaje en la red doméstica como por una caída de voltaje en respuesta a un aumento de la corriente en la carga.
Para compensar la caída de voltaje, en una fuente de alimentación lineal, los parámetros del transformador se calculan para proporcionar el exceso de potencia. Luego, a alta corriente, se observará el voltaje requerido en la carga. Sin embargo, el aumento de tensión que se producirá sin ningún medio de compensación con una corriente baja en la carga útil también es inaceptable. El exceso de voltaje se elimina incluyendo una carga no útil en el circuito. En el caso más simple, se trata de una resistencia o transistor conectado a través de un diodo Zener. En una versión más avanzada, el transistor está controlado por un microcircuito con un comparador. Sea como fuere, el exceso de energía simplemente se disipa en forma de calor, lo que afecta negativamente a la eficiencia del dispositivo.
En el circuito de alimentación conmutada aparece una variable más, de la que depende la tensión de salida, además de las dos ya existentes: tensión de entrada y resistencia de carga. Hay un interruptor en serie con la carga (que en el caso que nos interesa es un transistor), controlado por un microcontrolador en modo de modulación de ancho de pulso (PWM). Cuanto mayor sea la duración de los estados abiertos del transistor en relación con su período (este parámetro se llama ciclo de trabajo, en terminología rusa se usa el valor inverso - ciclo de trabajo), mayor será el voltaje de salida. Debido a la presencia de un interruptor, una fuente de alimentación conmutada también se denomina fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS).
No fluye corriente a través de un transistor cerrado y, idealmente, la resistencia de un transistor abierto es despreciable. En realidad, un transistor abierto tiene resistencia y disipa parte de la potencia en forma de calor. Además, la transición entre estados de transistores no es perfectamente discreta. Y, sin embargo, la eficiencia de una fuente de corriente pulsada puede superar el 90%, mientras que la eficiencia de una fuente de alimentación lineal con estabilizador alcanza, en el mejor de los casos, el 50%.
Otra ventaja de las fuentes de alimentación conmutadas es la reducción radical del tamaño y peso del transformador respecto a fuentes de alimentación lineales de la misma potencia. Se sabe que cuanto mayor es la frecuencia de la corriente alterna en el devanado primario de un transformador, menor es el tamaño del núcleo requerido y el número de vueltas del devanado. Por lo tanto, el transistor clave en el circuito no se coloca después, sino antes del transformador y, además de la estabilización de voltaje, se utiliza para producir corriente alterna de alta frecuencia (para fuentes de alimentación de computadoras, esto es de 30 a 100 kHz y más, y como regla general, alrededor de 60 kHz). Un transformador que funcione con una frecuencia de alimentación de 50-60 Hz sería decenas de veces más grande para la potencia requerida por una computadora estándar.
Las fuentes de alimentación lineales se utilizan hoy en día principalmente en el caso de aplicaciones de baja potencia, donde la electrónica relativamente compleja necesaria para una fuente de alimentación conmutada constituye un elemento de coste más sensible en comparación con un transformador. Se trata, por ejemplo, de fuentes de alimentación de 9 V, que se utilizan para los pedales de efectos de guitarra, y una vez para las consolas de juegos, etc. Pero los cargadores para teléfonos inteligentes ya son completamente pulsados; aquí los costes están justificados. Debido a la amplitud significativamente menor de la ondulación de la tensión en la salida, las fuentes de alimentación lineales también se utilizan en aquellos ámbitos donde se exige esta calidad.
⇡ Esquema general de una fuente de alimentación ATX
La fuente de alimentación de una computadora de escritorio es una fuente de alimentación conmutada, cuya entrada se suministra con voltaje doméstico con parámetros de 110/230 V, 50-60 Hz, y la salida tiene varias líneas de CC, las principales de las cuales están nominalmente 12, 5 y 3,3 V Además, la fuente de alimentación proporciona una tensión de -12 V, y en ocasiones también una tensión de -5 V, necesaria para el bus ISA. Pero este último en algún momento fue excluido del estándar ATX debido al fin del soporte para el propio ISA.
En el diagrama simplificado de una fuente de alimentación conmutada estándar presentado anteriormente, se pueden distinguir cuatro etapas principales. En el mismo orden, consideramos los componentes de las fuentes de alimentación en las revisiones, a saber:
- Filtro EMI - interferencia electromagnética (filtro RFI);
- circuito primario: rectificador de entrada (rectificador), transistores clave (conmutador), que crean corriente alterna de alta frecuencia en el devanado primario del transformador;
- transformador principal;
- circuito secundario: rectificadores de corriente del devanado secundario del transformador (rectificadores), filtros suavizantes en la salida (filtrado).
⇡ filtro EMI
El filtro en la entrada de la fuente de alimentación se utiliza para suprimir dos tipos de interferencias electromagnéticas: diferencial (modo diferencial), cuando la corriente de interferencia fluye en diferentes direcciones en las líneas eléctricas, y modo común (modo común), cuando la corriente fluye en una dirección.
El ruido diferencial se suprime mediante el condensador CX (el condensador de película amarillo grande en la foto de arriba) conectado en paralelo con la carga. A veces, se adjunta adicionalmente un estrangulador a cada cable, que realiza la misma función (no en el diagrama).
El filtro de modo común está formado por condensadores CY (condensadores cerámicos en forma de gota azul en la foto), conectando las líneas eléctricas a tierra en un punto común, etc. un estrangulador de modo común (LF1 en el diagrama), cuya corriente en cuyos dos devanados fluye en la misma dirección, lo que crea resistencia a la interferencia de modo común.
En los modelos baratos, se instala un conjunto mínimo de piezas de filtro; en los más caros, los circuitos descritos forman enlaces repetidos (total o parcialmente). En el pasado, no era raro ver fuentes de alimentación sin ningún filtro EMI. Ahora bien, esta es una excepción bastante curiosa, aunque si compras una fuente de alimentación muy barata, aún puedes encontrarte con esa sorpresa. Como resultado, no solo y no tanto la computadora en sí se verá afectada, sino también otros equipos conectados a la red doméstica: las fuentes de alimentación conmutadas son una poderosa fuente de interferencia.
En el área de filtrado de una buena fuente de alimentación, puede encontrar varias piezas que protegen al propio dispositivo o a su propietario de daños. Casi siempre hay un fusible simple para protección contra cortocircuitos (F1 en el diagrama). Tenga en cuenta que cuando salta el fusible, el objeto protegido ya no es la fuente de alimentación. Si se produce un cortocircuito, significa que los transistores clave ya se han roto y es importante al menos evitar que el cableado eléctrico se incendie. Si un fusible de la fuente de alimentación se quema repentinamente, lo más probable es que no tenga sentido reemplazarlo por uno nuevo.
Se proporciona protección separada contra Corto plazo sobretensiones mediante un varistor (MOV - Varistor de óxido metálico). Pero no existen medios de protección contra aumentos prolongados de voltaje en las fuentes de alimentación de las computadoras. Esta función la realizan estabilizadores externos con su propio transformador en el interior.
El condensador en el circuito PFC después del rectificador puede retener una carga significativa después de desconectarse de la energía. Para evitar que una persona descuidada que introduzca el dedo en el conector de alimentación reciba una descarga eléctrica, se instala una resistencia de descarga de alto valor (resistencia de purga) entre los cables. En una versión más sofisticada, junto con un circuito de control que evita la fuga de carga cuando el dispositivo está en funcionamiento.
Por cierto, la presencia de un filtro en la fuente de alimentación de la PC (y la fuente de alimentación de un monitor y casi cualquier equipo informático también lo tiene) significa que comprar un "filtro contra sobretensiones" por separado en lugar de un cable de extensión normal, en general, es , inútil. Todo es igual dentro de él. La única condición en cualquier caso es el cableado normal de tres pines con conexión a tierra. De lo contrario, los condensadores CY conectados a tierra simplemente no podrán realizar su función.
⇡ Rectificador de entrada
Después del filtro, la corriente alterna se convierte en corriente continua mediante un puente de diodos, normalmente en forma de conjunto en una carcasa común. Un radiador separado para enfriar el puente es muy bienvenido. Un puente ensamblado a partir de cuatro diodos discretos es un atributo de las fuentes de alimentación baratas. También puede preguntar para qué corriente está diseñado el puente para determinar si coincide con la potencia de la propia fuente de alimentación. Aunque, por regla general, hay un buen margen para este parámetro.
⇡ Bloque PFC activo
En un circuito de CA con carga lineal (como una bombilla incandescente o una estufa eléctrica), el flujo de corriente sigue la misma onda sinusoidal que el voltaje. Pero este no es el caso de los dispositivos que tienen un rectificador de entrada, como las fuentes de alimentación conmutadas. La fuente de alimentación pasa corriente en pulsos cortos, coincidiendo aproximadamente en el tiempo con los picos de la onda sinusoidal de voltaje (es decir, el voltaje instantáneo máximo) cuando se recarga el condensador de suavizado del rectificador.
La señal de corriente distorsionada se descompone en varias oscilaciones armónicas en la suma de una sinusoide de una amplitud determinada (la señal ideal que se produciría con una carga lineal).
La potencia utilizada para realizar un trabajo útil (que, de hecho, es calentar los componentes de la PC) se indica en las características de la fuente de alimentación y se denomina activa. La potencia restante generada por oscilaciones armónicas de la corriente se llama reactiva. No produce trabajo útil, pero calienta los cables y crea una carga en los transformadores y otros equipos eléctricos.
La suma vectorial de las potencias reactiva y activa se llama potencia aparente. Y la relación entre la potencia activa y la potencia total se llama factor de potencia; ¡no debe confundirse con eficiencia!
Una fuente de alimentación conmutada tiene inicialmente un factor de potencia bastante bajo, aproximadamente 0,7. Para un consumidor privado, la potencia reactiva no es un problema (afortunadamente, no la tienen en cuenta los contadores de electricidad), a menos que utilice un SAI. El sistema de alimentación ininterrumpida transporta toda la potencia de la carga. A escala de una red de oficinas o de una ciudad, el exceso de potencia reactiva creado al cambiar las fuentes de alimentación ya reduce significativamente la calidad del suministro eléctrico y genera costes, por lo que se está combatiendo activamente.
En particular, la gran mayoría de las fuentes de alimentación de computadoras están equipadas con circuitos de corrección activa del factor de potencia (Active PFC). Una unidad con un PFC activo se identifica fácilmente por un único condensador e inductor grandes instalados después del rectificador. De hecho, Active PFC es otro convertidor de pulsos que mantiene una carga constante en un capacitor con un voltaje de aproximadamente 400 V. En este caso, la corriente de la red de suministro se consume en pulsos cortos, cuyo ancho se selecciona para que la señal se aproxima mediante una onda sinusoidal, que se requiere para simular una carga lineal. Para sincronizar la señal de consumo de corriente con la sinusoide de voltaje, el controlador PFC tiene una lógica especial.
El circuito PFC activo contiene uno o dos transistores clave y un diodo potente, que se colocan en el mismo disipador de calor que los transistores clave del convertidor de fuente de alimentación principal. Como regla general, el controlador PWM de la llave del convertidor principal y la llave PFC activa son un chip (PWM/PFC Combo).
El factor de potencia de las fuentes de alimentación conmutadas con PFC activo alcanza 0,95 y más. Además, tienen una ventaja adicional: no necesitan un interruptor de red de 110/230 V ni el correspondiente duplicador de tensión en el interior de la fuente de alimentación. La mayoría de los circuitos PFC manejan voltajes de 85 a 265 V. Además, se reduce la sensibilidad de la fuente de alimentación a caídas de voltaje de corta duración.
Por cierto, además de la corrección PFC activa, también existe una pasiva, que implica instalar un inductor de alta inductancia en serie con la carga. Su eficiencia es baja y es poco probable que la encuentre en una fuente de alimentación moderna.
⇡ Convertidor principal
El principio general de funcionamiento para todas las fuentes de alimentación por impulsos de topología aislada (con transformador) es el mismo: un transistor (o transistores) clave crea corriente alterna en el devanado primario del transformador y el controlador PWM controla el ciclo de trabajo de su conmutación. Los circuitos específicos, sin embargo, difieren tanto en el número de transistores clave y otros elementos, como en las características cualitativas: eficiencia, forma de la señal, ruido, etc. Pero aquí depende demasiado de la implementación específica como para que valga la pena centrarse en esto. Para los interesados, proporcionamos un conjunto de esquemas y una tabla que les permitirá identificarlos en dispositivos específicos en función de la composición de las piezas.
| Transistores | diodos | Condensadores | Patas primarias del transformador | |
| Transistor único hacia adelante | 1 | 1 | 1 | 4 |
| 2 | 2 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 2 | 2 | |
| 4 | 0 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 0 | 3 |
Además de las topologías enumeradas, en fuentes de alimentación costosas hay versiones resonantes de Half Bridge, que se identifican fácilmente por un inductor grande adicional (o dos) y un condensador que forma un circuito oscilatorio.
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Transistor único hacia adelante |
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⇡ Circuito secundario
El circuito secundario es todo lo que viene después del devanado secundario del transformador. En la mayoría de las fuentes de alimentación modernas, el transformador tiene dos devanados: de uno de ellos se elimina un voltaje de 12 V, del otro, 5 V. La corriente se rectifica primero mediante un conjunto de dos diodos Schottky, uno o varios por bus ( en el bus con mayor carga (12 V) (en fuentes de alimentación potentes hay cuatro conjuntos). Más eficientes en términos de eficiencia son los rectificadores síncronos, que utilizan transistores de efecto de campo en lugar de diodos. Pero esta es prerrogativa de las fuentes de alimentación verdaderamente avanzadas y costosas que cuentan con el certificado 80 PLUS Platinum.
El riel de 3,3 V generalmente se acciona desde el mismo devanado que el riel de 5 V, solo que el voltaje se reduce mediante un inductor saturable (Mag Amp). Un devanado especial en un transformador para un voltaje de 3,3 V es una opción exótica. De los voltajes negativos en el estándar ATX actual, solo quedan -12 V, que se eliminan del devanado secundario debajo del bus de 12 V a través de diodos separados de baja corriente.
El control PWM de la llave del convertidor cambia el voltaje en el devanado primario del transformador y, por lo tanto, en todos los devanados secundarios a la vez. Al mismo tiempo, el consumo de corriente del ordenador no se distribuye uniformemente entre los buses de alimentación. En el hardware moderno, el bus más cargado es el de 12 V.
Para estabilizar tensiones por separado en diferentes buses, se requieren medidas adicionales. El método clásico consiste en utilizar un estrangulador de estabilización de grupo. Por sus devanados pasan tres buses principales y, como resultado, si la corriente aumenta en un bus, el voltaje cae en los demás. Digamos que la corriente en el bus de 12 V ha aumentado y, para evitar una caída de voltaje, el controlador PWM ha reducido el ciclo de trabajo de los transistores clave. Como resultado, el voltaje en el bus de 5 V pudo exceder los límites permitidos, pero fue suprimido por el estrangulador de estabilización del grupo.
La tensión en el bus de 3,3 V se regula adicionalmente mediante otro inductor saturable.
Una versión más avanzada proporciona estabilización separada de los buses de 5 y 12 V debido a choques saturables, pero ahora este diseño ha dado paso a los convertidores DC-DC en costosas fuentes de alimentación de alta calidad. En este último caso, el transformador tiene un único devanado secundario con una tensión de 12 V, y las tensiones de 5 V y 3,3 V se obtienen gracias a convertidores DC-DC. Este método es más favorable para la estabilidad del voltaje.
Filtro de salida
La etapa final de cada bus es un filtro que suaviza las ondulaciones de voltaje causadas por los transistores clave. Además, las pulsaciones del rectificador de entrada, cuya frecuencia es igual al doble de la frecuencia de la red de suministro, penetran en un grado u otro en el circuito secundario de la fuente de alimentación.
El filtro de ondulación incluye un estrangulador y condensadores grandes. Las fuentes de alimentación de alta calidad se caracterizan por una capacitancia de al menos 2000 uF, pero los fabricantes de modelos baratos tienen reservas para ahorrar cuando instalan condensadores, por ejemplo, de la mitad del valor nominal, lo que inevitablemente afecta la amplitud de ondulación.
⇡ Fuente de alimentación en espera +5VSB
Una descripción de los componentes de la fuente de alimentación estaría incompleta sin mencionar la fuente de voltaje de espera de 5 V, que posibilita el modo de suspensión del PC y garantiza el funcionamiento de todos los dispositivos que deben estar encendidos en todo momento. La "sala de servicio" se alimenta mediante un convertidor de impulsos independiente con un transformador de baja potencia. En algunas fuentes de alimentación, también hay un tercer transformador, que se utiliza en el circuito de retroalimentación para aislar el controlador PWM del circuito primario del convertidor principal. En otros casos, esta función la realizan optoacopladores (un LED y un fototransistor en un solo paquete).
⇡ Metodología de prueba de fuentes de alimentación.
Uno de los principales parámetros de la fuente de alimentación es la estabilidad del voltaje, que se refleja en el llamado. característica de carga cruzada. KNH es un diagrama en el que la corriente o potencia en el bus de 12 V se traza en un eje y la corriente o potencia total en los buses de 3,3 y 5 V se traza en el otro en los puntos de intersección para diferentes valores de. En ambas variables, se determina la desviación de tensión respecto al valor nominal en un neumático u otro. En consecuencia, publicamos dos KNH diferentes: para el bus de 12 V y para el bus de 5/3,3 V.
El color del punto indica el porcentaje de desviación:
- verde: ≤ 1%;
- verde claro: ≤ 2%;
- amarillo: ≤ 3%;
- naranja: ≤ 4%;
- rojo: ≤ 5%.
- blanco: > 5% (no permitido por el estándar ATX).
Para obtener KNH, se utiliza un banco de pruebas de fuentes de alimentación hecho a medida, que crea una carga al disipar el calor en potentes transistores de efecto de campo.
Otra prueba igualmente importante es determinar la amplitud de ondulación en la salida de la fuente de alimentación. El estándar ATX permite una ondulación dentro de 120 mV para un bus de 12 V y 50 mV para un bus de 5 V. Se hace una distinción entre ondulación de alta frecuencia (al doble de la frecuencia del interruptor del convertidor principal) y baja frecuencia (al doble de la frecuencia). frecuencia de la red de suministro).
Medimos este parámetro utilizando un osciloscopio USB Hantek DSO-6022BE con la carga máxima en la fuente de alimentación especificada por las especificaciones. En el oscilograma siguiente, el gráfico verde corresponde al bus de 12 V, el gráfico amarillo corresponde a 5 V. Se puede ver que las ondulaciones están dentro de los límites normales, e incluso con un margen.
A modo de comparación, presentamos una imagen de ondulaciones en la salida de la fuente de alimentación de una computadora vieja. Este bloque no fue excelente al principio, pero ciertamente no ha mejorado con el tiempo. A juzgar por la magnitud de la ondulación de baja frecuencia (tenga en cuenta que la división del barrido de voltaje se aumenta a 50 mV para adaptarse a las oscilaciones en la pantalla), el condensador de suavizado en la entrada ya se ha vuelto inutilizable. La ondulación de alta frecuencia en el bus de 5 V está cerca de los 50 mV permitidos.
La siguiente prueba determina la eficiencia de la unidad con una carga del 10 al 100% de la potencia nominal (comparando la potencia de salida con la potencia de entrada medida con un vatímetro doméstico). A modo de comparación, el gráfico muestra los criterios para las distintas categorías 80 PLUS. Sin embargo, esto no despierta mucho interés en estos días. El gráfico muestra los resultados de la fuente de alimentación Corsair de gama alta en comparación con la muy económica Antec, y la diferencia no es tan grande.
Un problema más urgente para el usuario es el ruido del ventilador incorporado. Es imposible medirlo directamente cerca del banco de pruebas de la fuente de alimentación rugiente, por eso medimos la velocidad de rotación del impulsor con un tacómetro láser, también con una potencia del 10 al 100%. El siguiente gráfico muestra que cuando la carga de esta fuente de alimentación es baja, el ventilador de 135 mm permanece a baja velocidad y apenas se oye. Con carga máxima ya se puede percibir el ruido, pero el nivel sigue siendo bastante aceptable.