Fuentes alimentadoras

Todo aparato electrónico requiere de un suministro adecuado de energía para funcionar. Por lo general, se trata de un circuito formado por distintos componentes electrónicos, los cuales tienen funciones específicas, como transformar la corriente, regular el voltaje o incluso ser utilizados como elementos de protección. Estos componentes en conjunto reciben el nombre de fuente de alimentación.

💡 En algunos casos la fuente formará parte del mismo aparato, pero en otros puede tratarse de una fuente externa.

Para cumplir su función de suministro, la fuente de alimentación se encargará de transformar la energía de la red eléctrica, de carácter alterno (AC), en una adecuada a las necesidades del circuito o dispositivo que se conectará a la salida de la propia fuente (normalmente de carácter directo o DC).

Entre otras funciones más específicas asignadas a la fuente de alimentación podemos mencionar: 

• Controlar la corriente

• Regular el voltaje

• Proteger en caso de anomalías eléctricas

De acuerdo a lo mencionado, sabemos lo indispensable de una fuente de alimentación: De ella se obtendrán los voltajes y la totalidad de la corriente que el aparato o dispositivo utilizará. Aunque parezca obvio es importante no perder este detalle, pues esto mismo hace a la fuente de alimentación vulnerable a ciertos fallos, como pueden ser las sobrecargas eléctricas.

Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación:

Fuentes de alimentación lineales:

Son las fuentes más sencillas y tradicionales. Dentro de sus elementos destacables se encuentra un transformador con núcleo de hierro laminado, que reduce el voltaje de la red eléctrica, posteriormente se utilizan diodos para rectificar la corriente, capacitores que ayudarán a dar estabilidad al voltaje y finalmente reguladores para mantener la precisión en las líneas de salida. Físicamente parecen más simples por la poca cantidad de componentes, y a la vez robustas, pues debido al transformador utilizado el peso de la fuente se vuelve considerable. Sin embargo, estas fuentes son menos eficientes, ya que sus valores de salida dependen directamente de las condiciones de la entrada, y en caso de pérdida en los valores de voltaje pocas veces se podrán restablecer a los parámetros establecidos.

Fuentes de alimentación conmutadas:

A diferencia de las fuentes lineales, las fuentes conmutadas utilizan más componentes, destacando nuevamente el transformador, que en este caso tiene un núcleo de ferrita, lo que lo hace más ligero y pequeño, y su ubicación ya no estará al inicio de la fuente, sino algunas etapas posteriores a la entrada de AC. Otros puntos destacables son: el capacitor de filtrado principal, que en su etiqueta tendrá un voltaje de ruptura de hasta 400v, semiconductores y circuitos integrados ubicados a ambos lados del transformador (primario y secundario). En cuanto a su funcionamiento las fuentes conmutadas toman ventaja en eficiencia, pues son capaces de compensar pérdidas de voltaje, manteniendo sus salidas con gran precisión, incluso con voltaje bajo en la entrada de AC.

Polarización del transistor bipolar

Para conseguir que un transistor funcione adecuadamente, es preciso otorgar las condiciones a cada una de las tres terminales, es decir, entregar los niveles de tensión que requiere el transistor entre sus electrodos. Esto es lo que conocemos como polarización del transistor.

Mencionaremos 3 tipos de sistemas de polarización:

• Voltaje constante
• Corriente constante
• Progresivo 

 

Montajes del transistor

Los montajes del transistor se refieren a entre que electrodos del transistor deberá aplicarse la señal de entrada y entre que electrodos deberá obtenerse dicha señal a la salida debiendo contar con un electrodo común para la entrada como para la salida por lo que se tiene tres alternativas del montaje, cada uno con propiedades específicas de ganancia, impedancia y respuesta en frecuencia.

Montaje en emisor común

Es probablemente la configuración más empleada en amplificación.

• Ganancia de tensión: alta, ya que pequeñas variaciones en la corriente de base producen grandes cambios en la corriente de colector.
• Impedancia de entrada: moderada.
• Impedancia de salida: relativamente alta.
• Fase: invierte la señal; la salida presenta un desfase de 180° respecto a la entrada.
  Este montaje ofrece un equilibrio adecuado entre ganancia y estabilidad, por lo que se usa en etapas amplificadoras de propósito general.

Montaje en colector común 

También conocido como seguidor de emisor. Su función principal es servir como adaptador de impedancias.

• Ganancia de tensión: aproximadamente igual a 1, pero con una resistencia de salida muy baja.
• Impedancia de entrada: alta, lo que facilita la conexión con fuentes débiles.
• Fase: no invierte la señal.
  Se emplea cuando se desea entregar corriente a una carga sin distorsionar significativamente la amplitud de la señal.

Montaje en base común

Menos habitual, pero útil en aplicaciones de alta frecuencia.

• Ganancia de corriente: menor que 1.
• Ganancia de tensión: alta.
• Impedancias: entrada muy baja y salida muy alta.
  Este montaje destaca por su estabilidad frente a variaciones y por su ancho de banda ampliado, lo que lo hace adecuado para etapas de radiofrecuencia.

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Clases de amplificación

Clases de amplificación en transistores:

Los amplificadores cumplen una función esencial en el manejo de señales, elevar la amplitud de la señal. Cuando se emplean transistores como dispositivos activos, ya sean bipolares (BJT) o de efecto de campo (MOSFET), el modo en que estos conducen la corriente durante un ciclo de la señal determina su clase de operación.

Clase A:

Tiene como característica que su proceso de amplificación deberá iniciarlo en la parte media de su curva de respuesta, de esta manera un solo transistor es capaz de procesar semiciclos positivos y negativos de una señal, sin importar si es PNP o NPN. Como consecuencia de esto un amplificador Clase A puede operar con niveles de señal muy reducidos como en los preamplificadores de audio y en los amplificadores de radio-frecuencia de todo receptor.

El inconveniente es su baja eficiencia, ya que gran parte de la energía utilizada se disipa como calor, ya que el transistor siempre está en conducción. Por ello, esta clase se utiliza en aplicaciones donde la calidad de la señal es prioritaria, como en amplificadores de audio de alta fidelidad (Hi-Fi) o en las primeras etapas de amplificación de instrumentos de medición.

Clase B:

La clase de amplificación de tipo B comienza su proceso de amplificación en el punto de corte, donde el valor del voltaje de base es igual a cero y la corriente de colector es también igual a cero; y es la propia señal aplicada la que va a excitar al transistor. De una señal alterna un amplificador clase B tan solo puede procesar 180° de la onda, es decir, un semiciclo sea el positivo o el negativo dependiendo esto del tipo de transistor. Por este motivo es común los montajes tipo Push-Pull, el cual, emplea 2 transistores de polaridad opuesta para procesar la señal completa (360°).

Aunque la eficiencia mejora considerablemente respecto la Clase A, aparece un problema: una pequeña distorsión de cruce alrededor del punto cero, donde ninguno de los transistores conduce completamente.

Clase C:
El amplificador clase C tiene como característica que deberá iniciar más allá del punto de corte, por lo que requiere de un voltaje opuesto al que normalmente deberá tener en base. La eficiencia puede superar el 70%, lo que la convierte en la opción ideal para amplificadores de transmisión RF donde la linealidad no es esencial.

Pre-amplificadores

Una etapa imprescindible en todo equipo de audio es el pre-amplificador, llamado también amplificador de voltaje. La finalidad del pre-amplificador es elevar el nivel de la señal de audio al nivel de línea, actuando sobre la tensión de esta. Es decir, su principal objetivo es llevar la amplitud de señales de audio debiles, para ser procesadas posteriormente. Por este motivo, el pre-amplificador estará situado al comienzo de la cadena de audio

⚡ Recuerda que la amplitud se refiere al volumen de una señal y su magnitud se expresa en voltios.

 Al pre-amplificador llegará la información de distintas fuentes de audio como pueden ser: la señal del sintonizador de radio, reproductores de memorias o Bluetooth y también de dispositivos externos al equipo como micrófonos, instrumentos musicales o reproductores de audio.

Pre-amp de bajo nivel: Es aquel diseñado para manejar a la entrada señales del orden de μV. Para elevar el nivel de la señal requiere de 3 o más pasos amplificadores. Su característica principal es que el control de volumen estará después del primer o segundo paso amplificador. Por lo general, el origen del audio de bajo nivel se proviene de elementos pasivos. Ejemplos cotidianos podrían ser como el audio captado por un microfono tradicional o también el obtenido por pastillas de instrumentos musicales como guitarras o bajos electricos. 

Pre-amp de alto nivel: Es aquel diseñado para manejar a la entrada señales del orden de los mV. Para llevar a cabo la amplificación de la señal requiere de uno o dos pasos amplificadores. Como característica principal tiene al control de volumen inmediatamente a la entrada de la señal de audio. Generalmente, el audio de alto nivel, tiene su origen en elementos activos. Como ejemplos podemos mencionar al audio proveniente de salidas fisicas de audio de celulares o computadoras, Bluetooth, y también de sistemas de almacenamiento digital (USB, microSD o CD).

Los transistores que conforman a cualquier sistema de pre-amplificación deberán situarse como amplificador “Clase A”, ya que este tiene como característica el comenzar en la parte media de su curva de respuesta, lo que permite manejar niveles bajos de señal. En muchos de los equipos actuales esta etapa puede encontrarse dentro de un circuito integrado.

PWM en Fuentes Conmutadas

En los sistemas electrónicos actuales, la necesidad de convertir y regular eficientemente el voltaje es fundamental. Para lograrlo, se utilizan fuentes de alimentación conmutadas (Switching Mode Power Supplies, SMPS), y el principio de su funcionamiento es una técnica llamada modulación por ancho de pulso (PWM).

La PWM (Power Width Modulation) permite regular la potencia entregada a una carga controlando el tiempo que un interruptor electrónico (generalmente un MOSFET) permanece encendido o apagado, en lugar de disipar energía como calor (como hacen las fuentes lineales). Esto se traduce en una mayor eficiencia energética, algo clave en todo tipo de dispositivos, desde cargadores de celulares hasta servidores industriales.

Funcionamiento de una fuente conmutada

Una fuente conmutada no regula el voltaje reduciéndolo resistivamente, sino que convierte la energía eléctrica usando interrupciones rápidas del flujo de corriente, combinadas con elementos reactivos tales como inductores y capacitores.

El principio básico es:

Un interruptor (transistor MOSFET) se enciende y apaga rápidamente a una frecuencia determinada (por ejemplo, 100 kHz o más).

La relación entre el tiempo encendido (T-ON) y el tiempo total del ciclo determina cuánta energía se transfiere al circuito de salida.

Esa energía se almacena temporalmente en una bobina o transformador, y luego se filtra con capacitores para entregar una salida estable y continua.

La señal de control que activa y desactiva el transistor es generada mediante PWM.

PWM como método de control en SMPS

En una fuente conmutada, el PWM se emplea para modular la duración de los pulsos de conducción del transistor. Esta modulación se ajusta dinámicamente en función del voltaje de salida medido, formando un bucle de control de retroalimentación (feedback). El objetivo es mantener constante la salida, a pesar de cambios en la carga o la tensión de entrada.

Ciclo de trabajo y voltaje de salida

En convertidores como el buck (reductor), el voltaje de salida (Vout) es directamente proporcional al ciclo de trabajo (D) y al voltaje de entrada:

$$V_{\text{out}} = D \cdot V_{\text{in}}$$

Por ejemplo, si Vin = 12 V y el duty cycle es del 50%, entonces:

$$V_{\text{out}} = 0.5 \cdot 12,\text{V} = 6,\text{V}$$

Si la carga exige más corriente, el sistema ajusta automáticamente el ciclo de trabajo para mantener la tensión constante.

Control en lazo cerrado

El regulador PWM no funciona de forma aislada. Se integra en un sistema de control en lazo cerrado, que incluye:

Un sensor de voltaje de salida.

Un comparador o controlador de error, que compara la salida real con una referencia deseada.

Un modulador PWM, que ajusta el ciclo de trabajo para corregir desviaciones.

Este lazo asegura que la fuente pueda responder rápidamente a variaciones en la carga o en la entrada, con mínima oscilación o sobrevoltaje.

Ventajas del uso de PWM en fuentes conmutadas

Alta eficiencia (>85–95%), ya que los transistores trabajan en modo de conmutación (ON u OFF), reduciendo las pérdidas por disipación térmica.

Tamaño compacto, gracias al uso de frecuencias elevadas (lo que permite inductores y capacitores más pequeños).

Excelente regulación, gracias al control dinámico del ciclo de trabajo.

Versatilidad, permitiendo distintas topologías: buck, boost, buck-boost, flyback, forward, entre otras.

Aplicaciones comunes

* Cargadores de laptops y celulares

* Fuentes de alimentación ATX para PC

* Inversores de voltaje

* Telecomunicaciones y servidores

Conclusión

El uso de PWM en fuentes conmutadas permite lograr una regulación de voltaje precisa, estable y altamente eficiente. Esta técnica transforma una señal digital en un control eficaz sobre la energía, minimizando pérdidas y reduciendo el tamaño de los componentes. Su importancia es tal que prácticamente cualquier dispositivo actual con electrónica de potencia depende de esta tecnología.

 

Terminologías

Definiciones y explicaciones de la terminología utilizada en electrónica y áreas relacionadas.