Font commutada

Una font commutada (de l'anglès switching-mode power supply, switch-mode power supply, SMPS, o simplement switcher) és un dispositiu electrònic que transforma energia elèctrica mitjançant transistors a commutació. Mentre que un regulador de tensió utilitza transistors polaritzats en la seva regió activa d'amplificació, les fonts commutades utilitzen els mateixos commutadors activament a altes freqüències (20-100 khz típicament) entre tall (oberts) i saturació (tancats). La forma d'ona quadrada resultant és aplicada a transformadors amb nucli de ferrita (els nuclis de ferro no són adequats per a aquestes altes freqüències) per obtenir un o diversos voltatges de sortida de corrent altern (CA) que després són rectificades (amb díodes ràpids) i filtrats (inductors i condensadors) per obtenir els voltatges de sortida de corrent continu (CC). Els avantatges d'aquest mètode s'inclouen que tenen nuclis més petits i pes reduïts, més eficiència per tant menor escalfament. Els desavantatges comparant-les amb fonts lineals és que són més complexes i generen soroll elèctric d'alta freqüència que ha de ser curosament minimitzat per no causar interferències a equips propers a aquestes fonts.

Classificació

Les fonts commutades poden ser classificades en quatre tipus:

Alimentació CA, sortida CC: rectificador, commutador, transformador, rectificador de sortida, filtre

(Ex: font d'alimentació d'ordinador de taula)

Alimentació CA, sortida CA: Variador de freqüència, convertidor de freqüència.

(Ex, variador de motor)

Alimentació CC, sortida CA: Inversor

(Ex: generar 220v/50cicles a partir d'una bateria de 12v)

Alimentació CC, sortida CC: convertidor de voltatge o de corrent.

(Ex: carregador de bateries de mòbils per cotxe)

Comparació entre Fonts d'alimentació commutades i lineals

Hi ha dos tipus principals de fonts d'alimentació regulades disponibles: commutades i lineals. Les raons per les quals triar un tipus o l'altre es poden resumir de la següent manera:

Grandària i pes - les fonts d'alimentació lineals utilitzen un transformador funcionant a la freqüència de 50 o 60 hertzs. Aquest transformador de baixa freqüència és diverses vegades més gran i més pesat que un transformador corresponent de font commutada, el qual funciona en freqüències típiques de 50 kilocicles a 1 megacicle. La tendència de disseny és d'utilitzar freqüències cada vegada més altes mentre els transistors ho permetin per disminuir la mida dels components passius (condensadors, inductors, transformadors).
Voltatge de sortida - les fonts d'alimentació lineals regulen la sortida fent servir un voltatge més alt en les etapes prèvies i després dissipant energia com a calor per a produir un voltatge més baix, regulat. Aquesta caiguda de voltatge és necessària i no pot ser eliminada millorant el disseny. Les fonts commutades poden produir voltatges de sortida que són més baixos que el voltatge d'entrada, més alts que el voltatge i fins i tot inversos al voltatge d'entrada, fent-los versàtils i millor adaptables a voltatges d'entrada variables.
Eficiència, calor, i energia dissipada - Una font lineal regula el voltatge o el corrent de la sortida dissipant l'excés d'energia com a calor, la qual cosa és ineficaç. Una font commutada fa servir el senyal de control per variar l'ample de pols, prenent de l'alimentació només l'energia requerida per la càrrega. En totes les tipologies de fonts commutades, s'apaguen i s'encenen els transistors completament. Així, idealment, les fonts commutades són 100% eficients. L'única calor generada es dona per les característiques no ideals dels components. Pèrdues en la commutació en els transistors, resistència directa dels transistors saturats, resistència sèrie equivalent en l'inductor i els condensadors, i la caiguda de voltatge pel rectificador baixen l'eficiència. No obstant això, optimitzant el disseny, la quantitat d'energia dissipada i calor poden ser reduïts al mínim. Un bon disseny pot tenir una eficiència de conversió de 95%. Típicament 75-85% en fonts d'entre 10-50W. Les fonts commutades més eficients utilitzen rectificació síncrona (transistors MOSFET saturats durant el semicicle adequat reemplaçant díodes).

Complexitat - un regulador lineal consisteix en última instància un transistor de potència, un CI de regulació de voltatge i un condensador de filtre de soroll. En canvi una font commutada conté típicament un CI regulador, un o diversos transistors i díodes de potència com així també un transformador, inductors, i condensadors de filtre. Múltiples voltatges es poden generar a partir del mateix nucli de transformador. Per a això s'utilitza el control per amplada de pols d'entrada encara que les diferents sortides poden tenir dificultats per a la regulació de càrrega. Tots dos necessiten una selecció acurada dels seus transformadors. En les fonts commutades a causa del funcionament a altes freqüències les pèrdues a les pistes del circuit imprès per inductància de pèrdua i les capacitats paràsites arriben a ser importants.

Interferència per radiofreqüència - El corrent en les fonts commutades té canvis abruptes, i conté una proporció gran de components espectrals d'alta freqüència. Cables o pistes llargues entre els components poden reduir l'eficàcia d'alta freqüència dels filtres a condensadors a l'entrada i sortida. Aquest corrent d'alta freqüència pot generar interferència electromagnètica indesitjable. Filtres EMI i blindatges de RF són necessaris per reduir la interferència. Les fonts d'alimentació lineals no produeixen generalment interferència, i s'utilitzen per a proveir d'energia on la interferència de ràdio no ha de passar.

Soroll electrònic en els terminals de sortida de fonts d'alimentació lineals barates amb pobre regulació es pot experimentar un voltatge de CA Petit "muntat" sobre la CC. de dues vegades la freqüència d'alimentació (100/120 Cicles). Aquesta "ondulació" (Ripple en anglès) està generalment en l'ordre de diversos milivoltios, i pot ser suprimit amb condensadors de filtre més grans o millors reguladors de voltatge. Aquest voltatge de CA Petit pot causar problemes o interferències en alguns circuits, per exemple, càmeres fotogràfiques anàlogues de seguretat alimentades amb aquest tipus de fonts poden tenir la modulació indesitjada de la lluentor i distorsions en el so que produeix brunzit audible. Les fonts d'alimentació lineals de qualitat suprimiran l'ondulació molt millor. En canvi les Fonts commutades no exhibeixen generalment l'ondulació en la freqüència de l'alimentació, sinó sortides generalment més sorolloses a altes freqüències. El soroll està generalment relacionat amb la freqüència de la commutació.

Soroll acústic - Les fonts d'alimentació lineals emeten típicament un brunzit feble, en la baixa freqüència d'alimentació, però aquesta és rarament audible (la vibració de les bobines i les xapes del nucli del transformador solen ser les causes). Les Fonts commutades amb el seu funcionament molt més alt en freqüència, no són generalment audibles pels éssers humans (a menys que tinguin un ventilador, com en la majoria de les computadores personals). El funcionament incorrecte de les fonts commutades pot generar sons aguts, ja que genera soroll acústic en freqüència subharmònica de l'oscil·lador.
Factor de Potència - les Fonts lineals tenen un baix factor de potència perquè l'energia és obtinguda en els pics de voltatge de la línia d'alimentació. El corrent en les fonts commutades simples no segueix la forma d'ona del voltatge, sinó que en forma similar a les fonts lineals l'energia és obtinguda només de la part més alta de l'ona sinusoidal, pel que el seu ús cada vegada més freqüent en ordinadors personals i làmpades fluorescents es va constituir en un problema creixent per a la distribució d'energia. Existeixen fonts commutades amb una etapa prèvia de correcció del factor de potència que redueix granment aquest problema i són d'ús obligatori en alguns països particularment europeus a partir de determinades potències.
Soroll elèctric sobre la línia de l'alimentació principal pot aparèixer soroll electrònic de commutació que pot causar interferència amb equips de A/V connectats en la mateixa fase. Les fonts d'alimentació lineals rarament presenten aquest efecte. Les fonts commutades ben dissenyades tenen filtres a l'entrada que minimitzen la interferència causada en la línia d'alimentació principal.

Topologies

Les fonts commutades existeixen en diferents topologies amb característiques particulars en cadascuna.^[1]

Topologia	Potència (W)	Eficiència (típica)	Cost relatiu	Tensions (V)	Aïllament	Emmagatzematge d'energia	Relació de tensió	Característiques
Buck	0000-1000	75%	1.0	5000-1000 *	No	Inductor Simple	V sortida <V entrada	Disminuir Tensió
Boost	0-150	78%	1.0	5-600 *	No	Inductor Simple	V sortida> V entrada	Augmentar Tensió
Buck-boost	0-150	78%	1.0	5-600 *	No	Inductor Simple	V sortida major o menor que V entrada	Permet invertir la sortida
Flyback	0-150	78%	1.0	500-600	Si	Transformador	V sortida major o menor que V entrada	Sortides Múltiples
Half-Forward	0-250	75%	01/02	500-500	Si	Transformador+inductor
Forward					Si	Transformador+inductor		Sortides Múltiples
Push-Pull	100-1000	72%	1.75	1950-1000	Si
Semipont Half-bridge	000-500	72%	01/09	1950-1000	Si
Pont H complet	4-200	69%	> 2.0	1950-1000	Si
Resonant, commutada en encreuament per zero	> 1000		> 2.0
Ćuk					No	Condensador+dos inductors		-
SEPIC					No	Dues inductors	V sortida major o menor que V entrada
Multiplicador de tensió	0,1-1	90%	0,2	500-100000	No	Condensador	V sortida>> V entrada	Els multiplicadors de tensió s'utilitzen per generar molt altes tensions.

Vegeu també

Referències

↑ ON Semiconductor SMPS Power Supply Design Manual, 071104

Bibliografia

Basso, Christophe. Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs. McGraw-Hill, 2008. ISBN 0-07-150858-9.
Basso, Christophe. Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies: A Tutorial Guide. Artech House, 2012. ISBN 978-1608075577.
Brown, Marty. Power Supply Cookbook. 2nd. Newnes, 2001. ISBN 0-7506-7329-X.
Erickson, Robert W.; Maksimovic, Dragan. Fundamentals of Power Electronics. Second, 2001. ISBN 0-7923-7270-0.
Liu, Mingliang. Demystifying Switched-Capacitor Circuits. Elsevier, 2006. ISBN 0-7506-7907-7.
Luo, Fang Lin; Ye, Hong. Advanced DC/DC Converters. CRC Press, 2004. ISBN 0-8493-1956-0.
Luo, Fang Lin; Ye, Hong; Rashid, Muhammad H. Power Digital Power Electronics and Applications. Elsevier, 2005. ISBN 0-12-088757-6.
Maniktala, Sanjaya. Switching Power Supply Design and Optimization. McGraw-Hill, 2004. ISBN 0-07-143483-6.
Maniktala, Sanjaya. Switching Power Supplies A to Z. Newnes/Elsevier, 2006. ISBN 0-7506-7970-0.
Maniktala, Sanjaya. Troubleshooting Switching Power Converters: A Hands-on Guide. Newnes/Elsevier, 2007. ISBN 0-7506-8421-6.
Mohan, Ned; Undeland, Tore M.; Robbins, William P. Power Electronics : Converters, Applications, and Design. Wiley, 2002. ISBN 0-471-22693-9.
Nelson, Carl. LT1070 design Manual. AN19. Linear Technology, 1986. Application Note giving an extensive introduction in Buck, Boost, CUK, Inverter applications. (download as PDF from http://www.linear.com/designtools/app_notes.php)
Pressman, Abraham I.; Billings, Keith; Morey, Taylor. Switching Power Supply Design. Third. McGraw-Hill, 2009. ISBN 0-07-148272-5.
Rashid, Muhammad H. Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications. Prentice Hall, 2003. ISBN 0-13-122815-3.

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Font commutada

Load Power Sources for Peak Efficiency, by James Colotti, published in EDN 1979 October 5

[1] ON Semiconductor SMPS Power Supply Design Manual, 071104

[1]