Tipos más comunes de fuentes de poder

Los tipos básicos de fuentes de poder se basan en los diferentes principios de diseño:

Las fuentes de poder lineales

Las fuentes de poder con regulación lineal proporcionan un voltaje de salida muy constante, bajo rizado y ruido, además de una rápida regulación, incluso con transitorios de carga y de línea elevados. Producen una interferencia electromagnética mucho menor a la de las fuentes de poder conmutadas. Un transformador de red eléctrica convencional aísla la línea de alimentación de los circuitos secundarios (etapas de salida). Le sigue un rectificador que suministra el voltaje sin regular a un actuador en serie. Los condensadores en la entrada y salida del circuito del regulador actúan como búfers y disminuyen el rizado.

Un voltaje de referencia de alta precisión controla el amplificador de salida analógico. Este amplificador por lo general es rápido y permite tiempos de restablecimiento muy cortos para los cambios de carga.

Fuentes de poder lineales del catálogo R&S®Essentials: R&S®NGA100, R&S®NGL200, R&S®NGM200, R&S®NGU201/401.

Fuentes de poder conmutadas (SMPS)

Las SMPS, por ejemplo, la R&S®NGP800, tienen una eficiencia mucho mayor que las fuentes de poder de regulación lineal. En un primer paso, se rectifica el voltaje de línea. Debido al elevado voltaje de entrada pueden utilizarse condensadores de búfer con capacidad eléctrica baja. En un segundo paso, el voltaje continuo a convertir se divide a una alta frecuencia.

Esto se lleva a cabo en el transistor de conmutación y solo requiere de transformadores o estranguladores ferrita comparativamente pequeños y ligeros con baja pérdida. El transistor de conmutación se enciende y se apaga completamente, por consiguiente, las pérdidas por conmutación son bajas. El voltaje de salida normalmente se regula al cambiar el ciclo de trabajo del transistor de conmutación. Un rectificador y un filtro paso bajo mejoran la calidad de salida.

Fuentes de poder de arquitectura mixta

Se utilizan diferentes combinaciones de los diseños básicos mencionados anteriormente. Por ejemplo, las fuentes de poder R&S®NGE100B utilizan un transformador de red eléctrica en la entrada, seguida de un rectificador y un circuito conmutado para regular el voltaje de salida, lo que proporciona una alta eficiencia. Una etapa lineal reduce los componentes de señal no deseados en la salida. Otro ejemplo de arquitectura mixta es el R&S®HMP2000/4000.

Cuadrantes de las fuentes de poder de corriente continua

Si la corriente fluye al terminal de voltaje positivo, la fuente de poder actúa como una carga electrónica. Está perdiendo energía en lugar de suministrarla. Los instrumentos que funcionan tanto como fuente y sumidero pueden simular baterías o cargas; se denominan fuentes de poder de dos cuadrantes (o cuatro cuadrantes). Las de Rohde & Schwarz ofrecen arquitecturas de dos y cuatro cuadrantes. Los instrumentos conmutan de manera automática de modo fuente a modo sumidero. Cuando el voltaje aplicado de manera externa excede el voltaje nominal definido, la corriente fluye a la fuente de poder, lo que se indica mediante una lectura de corriente negativa.

La arquitectura de las fuentes de poder puede definirse completamente con un sistema de coordenadas cartesianas. Los cuatro cuadrantes muestran todas las combinaciones de voltaje y corriente positivas y negativas. La siguiente figura ilustra un sistema de coordenadas con el voltaje en el eje vertical y la corriente en el eje horizontal.

Como se mencionó anteriormente, las fuentes de poder estándar por lo general generan solo voltaje de polaridad positiva (es decir, funcionan en el primer cuadrante), por ejemplo, de 0 V a 20 V. Si una fuente de poder puede proporcionar voltaje positivo o negativo en sus terminales de salida sin tener que cambiar el cableado externo, se denomina fuente de poder bipolar y funcionará en los cuadrantes 1 y 3, lo que proporciona voltajes que van desde los –20 V hasta los +20 V, por ejemplo. Tales instrumentos pueden utilizarse, entre otras aplicaciones, para probar el comportamiento característico de los semiconductores para los voltajes bipolares a través del punto 0 V.

Las fuentes de poder que pueden funcionar en los cuadrantes 1 y 3 suelen también ofrecer la funcionalidad de sumidero para voltajes y corrientes positivos y negativos. Pueden operar en los cuatro cuadrantes y se denominan unidades de medición de fuente (SMU). En el primer y tercer cuadrante, la corriente fluye del terminal de voltaje; el instrumento está suministrando energía. En el segundo y cuarto cuadrante, la corriente fluye hacia el terminal de voltaje, el instrumento está perdiendo energía.

Canales con rangos de voltaje idénticos

La mayoría de fuentes de poder de Rohde & Schwarz ofrecen el mismo rango de voltaje en todos los canales. Esto significa que no importa el canal qué se elija para una aplicación específica. Cada canal puede considerarse como una fuente de poder independiente.

Rizado y ruido

Un circuito electrónico complejo y avanzado es muy sensible a las fluctuaciones de voltaje en las líneas de alimentación. Para minimizar las interferencias al alimentar los dispositivos, las fuentes de poder deben proporcionar voltajes y corrientes de salida extremadamente estables. Idealmente, una salida está libre de fluctuaciones de voltaje. En la práctica, existen dos tipos de variaciones que posiblemente puedan afectar el circuito o dispositivo: variaciones periódicas (rizado) y variaciones aleatorias (ruido), también se las conoce como desviaciones periódicas y aleatorias (PaRD). Las fuentes de poder lineales presentan un rizado de alta frecuencia mucho menor en comparación con las fuentes de poder conmutadas.

Las fuentes de poder para aplicaciones especiales, así como algunas fuentes de poder básicas como la R&S®NGA100 utilizan regulación de voltaje lineal para reducir al mínimo el rizado y el ruido residual.

El diseño lineal de las etapas de salida posibilita suministrar voltaje de baja interferencia a los diseños sensibles, como conductores complejos. Los bajos valores de rizado y ruido son también perfectos para desarrollar amplificadores de potencia y circuitos MMIC.

Impedancia de salida variable

Las salidas de las fuentes de poder para aplicaciones especiales pueden configurarse de varias maneras. Por ejemplo, pueden configurarse parámetros como impedancia de salida, un retardo de encendido y diferentes modos de disparo. Las fuentes de poder deben tener una impedancia de salida lo más baja posible para evitar la regulación de la carga en el dispositivo. Sin embargo, hay aplicaciones que requieren simular baterías de una manera controlada o simular el incremento de la impedancia interna a medida que la batería se descargue. Las fuentes de poder R&S®NGL200, R&S®NGM200 y R&S®NGU201 admiten estas aplicaciones con impedancias de salida ajustables.