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FUENTES DE ALIMENTACIÓN de alta potencia.



 

INTRODUCCIÓN

Cuando se sabe un poco de electrónica a veces uno se lleva las manos a la cabeza al ver cómo se hacen las fuentes en las etapas de gran presupuesto, y dentro de los círculos DIY también hay verdaderas barbaridades.

No se utiliza la cabeza, se utiliza la cartera, y siempre que se gasta dinero sin utilizar la cabeza se tira.

Existen condensadores sumamente buenos y caros que se usan en las fuentes de alimentación sin NINGÚN otro elemento corrector. Parece como si no se quisiera comprender el problema y de esta manera sólo se desperdician las posibilidades. En su lugar, se hace pubilicad con los componentes.

El principio del problema es el PSRR de la etapa, y también está la impedancia de salida de la fuente. Pero la neurosis viene principalmente por el PSRR. Y es comprensible, porque marca parte de la calidad final del sonido, la presencia o ausencia de un fondo de ruido.

Pero se pueden hacer muchas cosas inteligentes que no tienen nada que ver con los derroches. La principal, regular la parte de ganancia en voltaje, que es la parte más susceptible a recoger el ruido de la alimentación, y cuyo consumo es muy bajo, está entre 10 y 50mA por canal, muy lejos de los 4000mA que puede requerir las etapas de salida.

Las dos claves que se proporcionan en este artículo son las siguientes:

  • Regular la alimentación de la sección de ganancia en voltaje.
  • Por muy buenos que sean los electrolíticos de la fuente, siempre les vendrá bien una ayuda externa. Si la ayuda externa es suficiéntemente buena ni siquiera se requieren condensadores de altas prestaciones, y como veremos en esta sección, es posible reinvertir el dinero de una forma mejor.

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Funcionamiento de una fuente.

Como conocimientos previos, asumimos que el lector conoce cómo funciona una fuente de alimentación estándar. Nos limitaremos a recalcar los aspectos más importantes.

Primero, un transformador reductor. Esto permite tener aislamiento de la red y obtener un voltaje adecuado para funcionar. En nuestro caso, tenemos un transformador que dará 35V AC en el secundario. Utilizamos una resistencia de 0,1 Ohm para modelar la resistencia en DC del secundario.

El transformador convierte una tensión alterna de un voltaje determinado en otra señal alterna de la misma frecuencia pero diferente voltaje (o el mismo, si se requiere).

En la gráfica de la derecha podemos ver la onda de entrada y la de salida.

Lógicamente no podemos trabajar con una tensión así, que tiene parte positiva y negativa. Debemos hacer que esa tensión sea continua, por lo que se emplea un puente rectificador. Vemos su esquema a la derecha.

Y el resultado se muestra a continuación. Estos diodos establecen un camino por el que los pulsos siempre pasan en el mismo sentido por la resistencia de carga. Vemos en el gráfico cómo la tensión del secundario es senoidal pero por la resistencia sólo pasan pulso con forma de valor absoluto de la función seno.

Aún así, ésta tensión no es suficientemente continua y se puede mejorar empleando condensadores como almacén de energía.

Ahora vemos el resultado, con una carga más o menos próxima a un amplificador en reposo.Se forma una onda con una gran componente de DC, que es lo que queremos pero lleva superpuesta una onda con forma de diente de sierra.

Vemos también que ahora la corriente ya no tiene una forma de seno, si siquera rectificado, tiene forma de picos de corriente cíclicos, con una frecuencia fundamental de 100 Hz, 2 veces mayor de lo que da la red porque se emplean las dos partes de la onda, la positiva y la negativa.

Están multiplicados para que se vean con claridad en la onda y se vea cómo coincide el inicio del pico con el punto en el que la tensión del sencundario es mayor que la del condensador. El valor de pico una vez estacionado el comportamiento es de 1,08A, aunque el consumo RMS de la resistencia sea de sólo 0.8A. Recigben el nombre de inrush currents.

Podemos observar un gran pico justo al inicio de la gráfica. Este pico es el que se encarga de cargar el condensador cuando al inicio está descargado. Esto trae serios inconvenientes en la red eléctrica, ya que estos picos pueden hacer saltar el limitador, y es el motivo de que se requiera un circuito denominado soft start. Para saber más sobre esto, pulse en el link.

Hemos elegido un valor de capacidad bajo para lo que es la norma en una etapa de potencia. Con un valor de 10.000uF, más aproximado a la realidad vemos el resultado.

La tensión de salida tiene una componente de DC mayor y un una conponente de diente de sierra menor. Ésto es porque el condensador tiende a cargarse con el valor de los picos.

A nivel de cifras el análisis de Fourier de la salida nos muestra lo siguiente:

 

1.000uF

10.000uF

Vdc

44.3

46.2

Armónico fundamental

1.15

0.13

1º armónico

0.59

0.074

2º armónico

0.3

0.044

3º armónico

0.15

0.025

fase armónico fundamental

60º

86º


Con una mayor capacidad tenemos tenemos una tensión mayor y más constante, con una componente de AC unas 10 veces menor. Perfecto, está claro que utilizar una gran capacidad es uno de los pasos a seguir.

Podemos ver en el gráfico de la derecha un análisis de Fourier que muestra cómo las componentes, a pesar de tener la misma estructura, tienen valores menores en la de 10.000uF.

Pero tiene más. Podemos ver a la derecha la respuesta en frecuencia del sistema, se comporta como un paso bajo de 1er orden. Es fácil adivinar que la que tiene componentes más bajas es la de 10.000uF.

Pero hay que pagar un precio. Empezamos a ver que las gráficas los picos de corriente son más altos en la segunda configuración, con un unos valores de pico de 1.3A en lugar de 1,08, y que la fase del armónico fundamental es mayor en uno de ellos, concretamente en el de 10.000. Lógico, si la tensión tarda más en caer, más tardará en ser igual a la del secundario.

Aqui vemos lo que sucede. Los picos de corriente del circuito con 10.000uF son más altos en valor y están más retrasados.

Esto tiene como conscuencia el factor de potencia. Es una medida de cómo aprovecha nuestro sistema la tensión proporcionada por la red eléctrica. Un factor de potencia malo puede hacer que se requiera una subestación 10 y 20 veces más potente de lo que nosotros podemos demandar, símplemente para que pueda atender a los picos desfasados.

En principio la solidaridad con la compañia eléctrica y demás usuarios es algo que no le importará a mucha gente, pero cuando le afecta a uno ya duele. Las compañías cobran este desfase producido por nuestros aparatos, pero sólo a empresas. Por otra parte, estos picos generan serios ruidos en la red eléctrica y hacen que los voltajes proporcionados fluctúen de manera significativa, lo que como se verá luego es uno de los motivos de que la alimentación de nuestra etapa tenga una peor calidad, culpa de todos los que usan aparatos eléctricos "sucios".

Pero hay más. Cuando se demandan éstos picos, el transformador tiene que hacer frente a unas demandas de corriente muy altas para las que seguramente no estará preparado. Suceden dos cosas. Lo primero es que el núcleo se puede saturar (y se saturará), y entonces el flujo magnético se radiará fuera del núcleo ferromagnético, e inducirá ruidos en el resto de los circuitos, peores cuanto más próximos estén al transformador. Lo segundo es que en el fondo un transformador no es tan diferente de un motor eléctrico, y las espiras del primario y secundario se mueven, golpean unas con otras y ésto crea ruido audible. Si se acerca el oído a muchos electrodomésticos con trafo convencional (cada vez menos) se puede comprobar que producen un zumbido. Esto se agrava con estos picos de corriente.

 

Resumiendo las claves:

  • Los condensadores se cargan con el valor de pico de la onda que proporciona el secundario, pero se descargan entre ciclos.
  • Los condensadores se cargan a través de picos importantes de corriente, y éstos picos de corriente generan problemas.

Resumiendo los problemas:

  • La red eléctrica suele tener de todo menos una onda pura senoidal, como se debería. Éstas impurezas atraviesan el transformador y pueden llegar a los circuitos.
  • El transformador tiene pérdidas, y no es capaz de hacer que todo el flujo magnético creado por el primario se reconvierta a electricidad en el secundario. Éste flujo puede inducir corrientes en el resto de los circuitos.
  • El rectificador puede generar sus propios ruidos debido a que los condensadores se cargan a través de picos de corriente bastante severos. También por sus propias características puede generar ruidos.
  • Los condensadores electrolíticos reúnen una gran capacidad en un espacio muy reducido, pero tienen problemas para eliminar la alta frecuencia, y también para absorver corréctamente los picos de corriente que los cargan.

Y el gran problema: las etapas de potencia tienen un parámetro llamado PSRR que es una medida de cómo afecta la alimentación a la etapa, es decir, cómo se cuela el ruido de la alimentación en la etapa.

 

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Filtro de red

Hay muchos elementos que generan EMI conducida en nuestra red eléctrica, y en el momento que se instale el PLC, habrá más. Éstos son principalmente los reguladores de luz y motores principalmente, ya que al trocear la onda de AC se generan una gran cantidad de armónicos sumamente nocivos. También las fuentes conmutadas inducen ruidos de red, y por supuesto las fuentes convencionales. Otro aspecto relacionado con motores y fluorescentes son los picos inductivos que introducen en la red, pueden llegar a 500Vp. Para una protección real contra éste fenómeno se deben usar unos elementos llamados varistores, son como un diodo Zener pero para alterna, pero un filtro de red puede reducir notablemente éste voltaje de pico.

Algo tan sencillo como un filtro de red tiene muchas ventajas. Lo primero es no recibir contaminación del interior, lo segundo es no contaminar nosotros.Los cables hacen de antena, pueden radiar campos electromagnéticos y emitir y recibir.

También hacen de inductancia, y podemos aprovechar éste fenómeno. Un ejemplo simple consiste en los amplificadores de los años 80, que en el momento de apagar se genera un click bastante potente y molesto. No debería suceder porque la fuente almacena tensión para mínimo un segundo. Es un pico de EMI que se cuela en el circuito y genera ese chasquido.

Con un simple condensador de clase X2 en paralelo con la alimentación se evita ese ruido, esto es el filtro básico, y afortunadamente muchos aparatos llevan uno hoy día, con el fin de cumplir la normativa comunitaria sobre EMI.

Otro aspecto es el del filtrado de paso bajo. Un condensador está preparado para mitigar estos picos, pero no siempre pueden eliminar la alta frecuencia que contamina la red. Una bobina puede ayudar.

Los chokes de modo común también ayudan al evitar la saturación de su núcleo.

 

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Transformador.

Es bueno sobredimensionar el transformador, porque los picos de corriente que cargan los condensadores hacen que se sature el núcleo del transformador, y una vez saturado, el flujo magnético se radía fuera de éste nucleo de forma masiva. Puede inducir corrientes en otros componentes.

Otro aspecto en la sobredimensión es que al tener espiras de cobre más fuertes se reduce un posible ruido mecánico producido por éstas, aunque en ese caso lo más eficaz es utilizar un transformador encapsulado en resina epoxy, o encapsularlo nosotros mismos.

Más aspectos a favor: La regulación (relación entre la tensión de salida sin carga y a máxima potencia) es mejor cuanto mayor es la potencia, ya que es mayormente una función de la resistencia DC (RDC)

También es importante sobredimensionar porque los transformadores se calientan cuando funcionan, aparte de pérdidas por mal acoplamiento (menores en los toroidales), están las pérdidas por la resistencia DC de los bobinados, es una resistencia real, no compleja, de la que transforma la energía en calor. Con una RDC menor disminuye el consumo para una misma potencia, y a su vez una menor temperatura hará que el acoplamiento magnético entre primario y secundario sea mejor.

Un aspecto a tener en cuenta de los transformadores es que limitan la potencia, sobredimensionar va en contra de protección, por eso es obligado el uso de otros elementos de protección, siendo (desgraciadamente) los fusibles una de las mejores opciones. Digo desgraciadamente porque su comportamiento dista mucho de lo ideal, en muchos casos los grandes picos demandados en el encendido rompen el fusible, mientras que en otras ocasiones de sobrecarga tardan demasiado tiempo en romper. A pesar de eso, son los únicos elementos que realmente son capaces de cortar el cirucito en condiciones muy adversas.

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Rectificador.

Uno de los problemas de los diodos rectificadores que más parecen preocupar en el mundo del audio es el pico de recuperación en inversa. En el gráfico de la derecha podemos observar cómo se producen estos picos, y que forma tienen.

La propia capacidad del diodo impide que éste pase a corte justo en el momento que cruza por cero. En su lugar vemos el pico generado.

Los diodos Schottky tienen un tiempo de recuperación extremadamente bajo, y también aunque menos, los diodos ultra-fast.

Los puentes ultra-fast y Schottky se usan en fuentes conmutadas porque no hay más remedio. Si en cada conmutación el mero hecho de llenar y vaciar las capas de deplexión del diodo requiere un número constante de julios, una vez que tenemos en cuenta el tiempo, cuanto más veces por segundo se haga eso, más potencia se consume. Las fuentes conmutadas utilizan frecuencias del orden de 50kHz, 1000 veces más que la electricidad que llega a nuestras casas. Ahí es necesario porque si se usan diodos normales, aparte de que pueden no llegar nunca a estar en corte, la energía utilizada en cada conmutación puede ser excesiva y pueden consumir varios Watios.

Pero en 50 Hz... ¿qué sentido tiene? Si el consumo es 1000 veces menor, y está dominado de sobra por la potencia que consume el diodo por el mero hecho de que le atraviese corriente. Se produce una caída de tensión denominada Vf, que depende de la corriente pero al ser una exponencial se suele estimar en 0,65V, en un caso más real, como los condensadores se carga a través de picos severos de corriente, están entre 0,9 y 1,1V. Podemos estimar que la potencia consumida por el puente de diodos está en torno al 2-3% de la consumida por la etapa, estimado para etapas de 100W y cargas de 8 Ohm. No parece grave.

Más serios son los problemas inducidos por el pico de recuperación en inversa del diodo. Crean armónicos de alto orden que no son absorvidos por los condensadores electrolíticos, ya que la ESL de éstos lo impide.

Si el problema es el pico de recuperación en inversa y no tiene nada que ver con la velocidad, tiene que ver con las características de recuperación, lo que se necesita no es un ultra-fast sino un ¡¡¡soft recovery!!!

Comprendería que se usasen puentes rectificadores de 15 euros (frente a los 3.50 de uno estándar) si estos son soft recovery, pero hay maneras sencillas de hacer soft recovery un puente de 3 euros. Con condensadores cerámicos.

Poniendo en paralelo un condensador cerámico de unos pocos nF se absorve la gran mayoría del pico de recuperación de los diodos.

Como veremos en el siguiente apartado, los electrolíticos por sí mismos tienen grandes problemas con la alta frecuencia, pero hay condensadores que no, y éstos pueden ayudar.

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Condensadores.

Por decirlo de una manera, los condensadores hacen de almacén de energía pero también hacen de filtro paso-bajo para la corriente.

Pero hay varias maneras de hacer un filtro paso bajo. Estaremos de acuerdo que con una R muy baja puede ser conveniente utilizar bobinas, ya que la frecuencia de corte de un filtro RC es 1/(2piRC), es decir, cuanto mayor es la resistencia, menor es la frecuencia de corte, mientras que en un filtro LR, ésta frecuencia es R/2piL, lo que hace que cuanto más baja sea la resistencia, menor sea la frecuencia de corte. Con poco de atención se puede deducir que una bobina puede ayudar.

Utilizar un Sikorel de Siemmens, uno de los condensadores más afamaos del mercado por sus excelentes prestaciones, supone gastar una gran cantidad de dinero que se puede reinvertir de otra manera más eficaz, como veremos en el siguiente párrafo y en el siguiente apartado.

Desde los tiempos que Mati Ottala diseñaba los primeros amplificadores de Electrocompaniet ya es algo conocido, de hecho fue él quien advirtió que era mejor usar un gran número de condensadores pequeños en paralelo que usar uno grande.

A dia de hoy, basándome en datos directos de los faricantes, puedo afirmar que si se utilizan muchos condensadores estándar, baratos y pequeños en vez de uno bueno grande y caro, con la misma inversión se pueden obtener mejores resultados.

Con 60 euros de un Sikorel necesarios para obtener 22.000uF a 63V se pueden adquirir 15 condensadores normales de 4700uF a 63V. Esto da 70.500uF, y la ESR y ESL del estándar se divide entre 15, superando así a los computer grade de BC components, a las series ALS30 y ALS31 de BHC y también a los Sikorel.

Descarguen la hoja excel con una tabla comparativa. En ella se pueden observar las prestaciones que ofrecen grupos de condensadores en paralelo frente a su precio, con el único objetivo de reunir 150.000uF. Los datos son del catálogo de Farnell del año 2000

Una última observación es la absorción de picos de muy alta frecuencia debido a la tasa de variación del voltaje frente al tiempo, semejante al slew-rate, donde una vez más los Sikorel son superiores al resto, unos 100u/us, pero una vez más la lógica impone otras condiciones.

Lo veremos en el siguiente párrafo, pero de momento señalaremos que con condensadores plásticos se pueden obtener tasas de variación de V frente a t del orden de 1.000-10.000 V/us. Debiendo señalar que estos picos de tan alta velocidad no se producen por causas porpias a una fuente de alimentación, habitualmente son externos.

Por otra parte, sabemos de sobra que hay condensadores mucho mejores en cuestiones de filtrado que los electrolíticos, y éstos son los plásticos y los cerámicos. De éstos, los plásticos, por su construcción son inductivos, mientras que los cerámicos multicapa no lo son. Aunque éstos sean mejores, es habitual ver condensadores de polipropileno... un nuevo interrogante.

Aunque el polipropileno es un plástico muy barato los condensadores de polipropileno no lo son tanto. Hay que tener en cuenta un parámetro muy importante: una fuente de DC trata de mantener un valor de DC, y se trata de eliminar la componente de AC, pero fenómenos como una distorsión de memoria en la componente de AC son completamente IRRELEVANTES. Existen materiales con una alta constante dieléctrica y ESR y ESL extremadamente bajas, pero con eféctos parásitos de memoria muy serios, como por ejemplo las cerámicas de tipo Y5U, y como por ejemplo los condensadores electrolíticos de aluminio.

Dicho de otra manera, teniéndo electrolíticos de aluminio, resulta poco lógico emplear condensadores caros de polipropileno cuando se pueden utilizar condensadores caros de cerámica. Sólo tienen un problema, que no los fabrican marcas aclamadas como Wima, y como para obtener los mejores resultados se emplea el formato SMD, no se ven cuando hay que sacar una foto.

Para hacerse una idea de las prestaciones de los cerámicos, los CI's digitales pueden llegar a demandar corrientes de incluso 1 Amperio, durante tiempos ínfimos, del orden de un nanosegundos... pero hay que atender ese pico, y para ello se usan condensadores de entre 10 y 100nF cerámicos junto al IC.

Un tema diferente es el acoplo capacitivo, ahí la calidad del condensador es muy importante, y en filtrado más, en esas aplicaciones es donde merece la pena invertir en condensadores bueno, pero no es el caso de una fuente de alimentación.

Para ampliar conocimientos sobre los condensadores, pulse en el link.

Como última observación, utilizar electrolíticos de altas prestaciones si ofrece una gran ventaja en el volumen y área de PCB empleados. En chasis ultra-slim o en aparatos de volumen reducido son la opción a tomar.

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Bobinas.

 

Hablo de bobinas, pero he visto muchas fotos del interior de muchas etapas de precios desorbitados y nunca he visto bobinas. Y no porque su uso sea desaconsejado, ahora veremos sus ventajas, y como referencia externa, Nelson Pass de Passlabs también recomienda su uso.

Lo más importante de la bobina es que bloquea la alta frecuencia, no se basa en un simple divisor de tensión como es entre los 0,2 Ohm del secundario y los 5 mOhm de ESR en los condensadores. La impedancia que ofrece a altas frecuencias puede ser muy alta, ofreciendo así un filtrado mejor, además de aumentar la pendiente del filtrado de un 1er orden a un 3º.

Una simple bobina de 3 euros puede eliminar el pico de recuperación de los diodos, los parásitos de la red, y en general toda la alta frecuencia inducida.

Con una bobina mayor, como en el ejemplo empleado, se pueden conseguir efectos de filtrado muy superiores a los que se obtendrían con un simple condensador.

En la gráfica está la comparación entre dos condensadores de 5.000uF formando un filtro de 3er orden frente a un filtro estándar con 10.000uF

Podemos ver en el ejemplo que con un consumo tan sumamente exigente como 8 Amperios RMS se obtiene un filtrado superior al de filtro estándar.

También desde el punto de vista de la corriente tiene ventajas, ya que suaviza las inrush currents, especialmente en el encendido. Es necesario tener muy en cuenta y sobredimensionar las corrientes de saturación de las bobinas.

No obstante esto no nos hará poder prescindir de un circuito de soft start.

 

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