Font d'alimentació
En electrònica, una font d'alimentació és un dispositiu que converteix la tensió alterna de la xarxa de subministrament, en una o diverses tensions, generalment contínues. Tant transforma el voltatge (normalment el disminueix, ex: passa de 230V a 12V) com el converteix, passant el corrent altern (CA) d'entrada,[1] a un corrent continu (CC) de sortida, que alimenten els diferents circuits de l'aparell electrònic a què es connecta (ordinador, televisor, impressora, router, etc.).[2]
En el cas dels ordinadors, de la font surten una sèrie de cables de diferent tipus per a connectar tots els dispositius i així proporcionar-los energia. Hi ha alguns components que no es connecten directament a la font d'alimentació, com pot ser el ventilador del dissipador del microprocessador, que es connecta a la placa base. Però tot va relacionat, ja que aquest dissipador agafarà l'energia que li subministra la placa base i aquesta agafarà l'energia de la font d'alimentació. Una font d'alimentació que sigui capaç de lliurar la potència necessària de forma estable, sense pics ni caigudes de tensió o d'intensitat, és fonamental per al funcionament del sistema en conjunt.[3]
Classificació
modificaFonts amb sortida de corrent altern
modifica
La seva sortida alterna pot ser tant monofàsica com trifàsica. S'utilitzen per assajar amb altres equips i el seu esquema és el d'un generador d'ones. Una font d'alimentació de CA generalment pren el voltatge d'una presa de corrent de paret (font d'alimentació) i utilitza un transformador per augmentar o reduir el voltatge al voltatge desitjat. També hi pot haver algun filtratge. En alguns casos, el voltatge de la font és el mateix que el voltatge de sortida; això s'anomena un transformador d'aïllament. Altres transformadors de font d'alimentació de CA no proporcionen aïllament de xarxa; aquests es diuen autotransformadors; un autotransformador de sortida variable es coneix com a variac. Altres tipus de fonts d'alimentació de CA estan dissenyades per proporcionar una font de corrent constant i el voltatge de sortida pot variar segons la impedància de la càrrega. En els casos en què la font d'alimentació és de corrent continu (com una bateria d'emmagatzematge d'automòbil), es pot fer servir un inversor i un transformador elevador per convertir-la en alimentació de CA. L'alimentació de CA portàtil pot ser proporcionada per un alternador impulsat per un motor dièsel o de benzina (per exemple, en un lloc de construcció, en un automòbil o vaixell, o generació d'energia de suport per a serveis d'emergència) el corrent del qual passa a un regulador circuit per proporcionar un voltatge constant a la sortida. Alguns tipus de conversió d'alimentació de CA no fan servir un transformador. Si el voltatge de sortida i el voltatge d'entrada són els mateixos, i el propòsit principal del dispositiu és filtrar l'energia de CA, es pot anomenar condicionador de línia. Si el dispositiu està dissenyat per proporcionar energia de seguretat, es pot anomenar font d'alimentació ininterrompuda. Es pot dissenyar un circuit amb una topologia de multiplicador de voltatge per augmentar directament l'alimentació de CA; anteriorment, aquesta aplicació era un tub de buit receptor de CA/CC.
En l'ús modern, les fonts d'alimentació de CA es poden dividir en sistemes de monofàsic i trifàsic. Les fonts d'alimentació de CA també es poden fer servir per canviar la freqüència i el voltatge. Els fabricants solen utilitzar-les per comprovar la idoneïtat dels seus productes per utilitzar-los en altres països. 230 V 50 Hz o 115 60 Hz o fins i tot 400 Hz per a proves d'aviònica.
Fonts amb sortida de corrent continu
modificaNormalment tenen a l'entrada una tensió alterna provinent de la xarxa elèctrica i a la sortida una tensió o corrent continues amb un nivell de rissat mínim. Estan formades per tres o quatre etapes electròniques:
- Etapa d'entrada: Formada per un rectificador, un transformador i elements de protecció, com fusibles o varistors.
- Etapa de regulació: que manté fixa la sortida en els valors fixats.
- Etapa de sortida: etapa que filtra, controla, limita i adapta la font a la càrrega a la que estigui connectada.
Les fonts d'alimentació per a dispositius electrònics amb sortida de corrent continu, es poden classificar bàsicament com a fonts d'alimentació lineals i commutades.
Les lineals tenen un disseny relativament simple, que pot arribar a ser més complex com més gran és la corrent que han de subministrar, però la seva regulació de tensió és poc eficient.
Una font commutada, de la mateixa potència que una lineal, serà més petita i normalment més eficient però serà més complexa i, per tant, més susceptible a avaries.
Fonts d'alimentació lineals
modifica
Les fonts lineals segueixen l'esquema: transformador, rectificador, filtre, regulació i sortida.
En primer lloc el transformador adapta els nivells de tensió i proporciona aïllament galvànic. El circuit que converteix el corrent altern en contínua es diu rectificador, després solen portar un circuit que disminueix l'arrissat com un filtre de condensador. La regulació, o estabilització de la tensió a un valor establert, s'aconsegueix amb un component denominat regulador de tensió. La sortida pot ser simplement un condensador. Aquest corrent abasta tota l'energia del circuit, aquesta font d'alimentació s'han de tenir en compte uns punts concrets a l'hora de decidir les característiques del transformador.[4]
Fonts d'alimentació commutades
modifica
Una font commutada és un dispositiu electrònic que transforma energia elèctrica mitjançant transistors en commutació. Mentre que un regulador de tensió utilitza transistors polaritzats en la seva regió activa d'amplificació, les fonts commutades utilitzen els mateixos commutant-los 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 rectificats (Amb díodes ràpids) i filtrats (inductors i condensadors) per obtenir els voltatges de sortida de corrent continu (CC). Els avantatges d'aquest mètode inclouen menor grandària i pes del nucli, major eficiència i, 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 acuradament minimitzat per no causar interferències a equips propers a aquestes fonts.[5]
Les fonts commutades tenen per esquema: rectificador, commutador, transformador, un altre rectificador i sortida.
La regulació s'obté amb el commutador, normalment un circuit PWM (Premi Width Modulation) que canvia el cicle de treball. Aquí les funcions del transformador són les mateixes que per a fonts lineals però la seva posició és diferent. El segon rectificador converteix el senyal altern polsador que arriba del transformador en un valor continu. La sortida pot ser també un filtre de condensador o un del tipus LC.
Els avantatges de les fonts lineals són una millor regulació, velocitat i millors característiques EMC. D'altra banda les commutades obtenen un millor rendiment, menor cost i grandària.
Especificacions
modifica
Una especificació fonamental de les fonts d'alimentació és el rendiment, que es defineix com la potència total de sortida entre la potència activa d'entrada. Com s'ha dit abans, les fonts commutades són millors en aquest aspecte.
El factor de potència és la potència activa entre la potència aparent d'entrada. És una mesura de la qualitat del corrent.
A part de disminuir el més possible l'arrissat, la font ha de mantenir la tensió de sortida al voltatge sol·licitat independentment de les oscil·lacions de la línia, regulació de línia o de la càrrega requerida pel circuit, regulació de càrrega.
Fonts d'alimentació especials
modificaEntre les fonts d'alimentació alternes, tenim aquelles on la potència que es lliura a la càrrega està sent controlada per transistor s, els quals són controlats en fase per poder lliurar la potència requerida a la càrrega.
Un altre tipus d'alimentació de fonts alternes, catalogades com especials són aquelles on la freqüència és variada, mantenint l'amplitud de la tensió aconseguint un efecte de font variable en casos com motor es i transformadors de tensió.
Paràmetres de la font d'alimentació
modificaNormalment les fonts es classifiquen per potència (watts) i diem que és una font de 400 W, 500 W, etc.
En un cas ideal en què no hi hagi potència activa, un watt equival a un voltampere (VA), però aquest cas és difícil de trobar i per saber els watts màxims que pot donar una font d'alimentació, s'ha de multiplicar el voltatge màxim que pot agafar i la intensitat màxima que hi pot circular pel factor de potència (cosinus de Phi ). Cada dispositiu consumeix una potència específica, per tant la font d'alimentació ha de tenir puro potència per alimentar tots els components de l'ordinador. La potència consumida per un dispositiu electrònic varia en funció de si està en repòs o treballa.
Gestió tèrmica
modificaLa font d'alimentació d'un sistema elèctric tendeix a generar calor. Com més gran sigui l'eficiència, més calor s'extreu de la unitat. Hi ha moltes maneres de gestionar la calor d'una font d'alimentació. Els tipus de refredament generalment es divideixen en dues categories: convecció i conducció. Els mètodes de convecció comuns per refredar les fonts d'alimentació electròniques inclouen flux d'aire natural, flux d'aire forçat o un altre flux de líquid sobre la unitat. Els mètodes comuns de refredament per conducció inclouen dissipadors de calor, plaques fredes i compostos tèrmics.
Protecció de sobrecàrrega
modificaLes fonts d'alimentació sovint tenen protecció contra curtcircuits o sobrecàrrega que podria danyar la font o provocar un incendi. Els fusibles i els disjuntors són dos mecanismes comunament utilitzats per a la protecció contra sobrecàrregues.[6]
Un fusible conté un tros curt de filferro que es fon si flueix massa corrent. Això desconnecta efectivament la font d'alimentació de la càrrega i l'equip deixa de funcionar fins que s'identifica el problema que va causar la sobrecàrrega i es reemplaça el fusible. Algunes fonts d'alimentació usen un enllaç de cable molt prim soldat al seu lloc com a fusible. Els fusibles a les unitats de font d'alimentació poden ser reemplaçables per l'usuari final, però els fusibles als equips de consum poden requerir eines per accedir i canviar.
Un disjuntor conté un element que escalfa, doblega i activa un ressort que tanca el circuit. Quan l'element es refreda i s'identifica el problema, es pot restablir l'interruptor i restaurar l'energia.
Algunes fonts d'alimentació utilitzen un tall tèrmic enterrat al transformador en lloc d'un fusible. L'avantatge és que permet extreure més corrent durant un temps limitat del que la unitat pot subministrar contínuament. Algunes d'aquestes retallades es restableixen automàticament, algunes són d'un sol ús.
Limitació de corrent
modificaAlguns subministraments usen limitació de corrent en lloc de tallar l'energia si se sobrecarreguen. Els dos tipus de limitació de corrent utilitzats són la limitació electrònica i la limitació d'impedància. El primer és comú a les PSU de taula de laboratori, el segon és comú en subministraments de menys de 3 watts de sortida.
Un limitador de corrent plegable redueix el corrent de sortida a molt menys que el corrent màxim sense fallar.
Aplicacions
modificaLes fonts d'alimentació són un component fonamental de molts dispositius electrònics i, per tant, s'utilitzen en una àmplia gamma d'aplicacions. Aquesta llista és una petita mostra de les múltiples aplicacions de les fonts d'alimentació.
Ordinadors
modificaUna font d'alimentació d'un ordinador modern és una font d'alimentació commutada que converteix l'alimentació de CA de la xarxa elèctrica en diversos voltatges de CC. Els subministraments de manera commutada van reemplaçar els subministraments lineals a causa de millores en el cost, el pes, l'eficiència i la mida. La diversa col·lecció de voltatges de sortida també té requisits de consum de corrent molt variables.
Vehicles elèctrics
modificaEls vehicles elèctrics són aquells que depenen de l'energia creada a través de la generació d'electricitat. Una unitat de font d'alimentació és part del disseny necessari per convertir l'energia de la bateria del vehicle dalt voltatge.
Soldadura
modificaLa soldadura per arc usa electricitat per a unir metalls fonent-los. L'electricitat és proporcionada per una "font d'alimentació de soldadura", i pot ser CA o CC. La soldadura per arc requereix alts corrents típicament entre 100 i 350 amperes. Alguns tipus de soldadura poden utilitzar només 10 amperes, mentre que algunes aplicacions de soldadura per punts empren corrents de fins a 60.000 amperes durant un temps extremadament curt. Les fonts d'alimentació de soldadura consistien en transformadors o motors que impulsaven generadors elèctrics; L'equip de soldadura modern utilitza el semiconductor i pot incloure control de microprocessador.
Avions
modificaTant els sistemes d'avió comercials com militars requereixen una font d'alimentació de CC-CC o CA/CC per convertir l'energia en voltatge utilitzable. Sovint, aquests poden operar a 400 Hz per estalviar pes.
Automatització
modificaAixò fa referència a transportadors, línies de muntatge, lectors de codis de barres, càmeres, motors, bombes, fabricació semi-fabricada i més.
Medicina
modificaAquests inclouen ventiladors, bombes d'infusió, instruments quirúrgics i dentals, imatges i llits.
Vegeu també
modificaReferències
modifica- ↑ «What's the Difference Between Single Phase and Three Phase AC Power Supplies?». Aegis Power Systems. Arxivat de l'original el 8 de maig 2016. [Consulta: 28 desembre 2015].
- ↑ Montaje de componentes y periféricos microinformáticos. IFCT0108. [Enllaç no actiu] En Google libros.
- ↑ Lady Ada. «iCharging - The mysteries of Apple device charging», 16-05-2014.
- ↑ «Fonts d'alimentació lineals». Enric Mieza - IES Castellet - CFGM Informàtica SMX. [Consulta: 25 octubre 2015].
- ↑ «Fonts d'alimentació commutades». Enric Mieza- IES Castellet - CFGM Informàtica SMX. [Consulta: 25 octubre 2015].
- ↑ Malmstadt, Enke and Crouch, Electronics and Instrumentation for Scientists, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN 0-8053-6917-1, Chapter 3.
Enllaços externs
modifica
- Introduction to Bench Power Supplies Arxivat 2017-03-30 a Wayback Machine. - B&K Precision
- Understanding Linear Power Supply Operation Arxivat 2011-07-07 a Wayback Machine.
- Load Power Sources for Peak Efficiency, James Colotti, EDN 1979 October 5