He oído que las fuentes de alimentación de conmutación que convierten, por ejemplo, 110 VAC a 12 VDC, son muy eficientes. Entiendo que el transistor de potencia que regula el voltaje está encendido o apagado y pasa muy poco tiempo en su rango lineal, por lo que no quema gran parte de la energía. También entiendo los principios de conversión de CA a CC a través de un puente de onda completa. Sin embargo, después de que la tensión de CA se rectifica, dado que las caídas de tensión de hasta 110VDC a 12VDC, la energía (por encima de 12) tiene que ir a alguna parte. Si los electrones que provienen de la corriente alterna están simplemente regulados hasta 12, entonces no entiendo qué sucede con la energía perdida. Tiene que ir a alguna parte. En un sistema muy eficiente, creo que una pequeña cantidad de corriente con alta energía que ingresa a la entrada de CA debería producir poca energía con mayor corriente según las ecuaciones. Por lo tanto, debería poder arreglármelas con un cable de calibre más pequeño que va a la entrada (a alto voltaje) de mi fuente de alimentación de conmutación mientras tengo que usar un cable de calibre más pesado para la salida (a un voltaje más bajo). Mi problema es que no puedo ver cómo reducir la cantidad de energía en los mismos electrones no puede generar algún tipo de generación de calor. ¿A dónde va la energía? ¿Alguien por favor puede explicar?
“Eficiencia” de cambiar las fuentes de alimentación y la pérdida de energía teórica
3 respuestas
Esta es una respuesta muy simplificada: -
Hay una cosa llamada transformador: tiene dos bobinas que están estrechamente conectadas magnéticamente. Las dos bobinas se denominan primaria y secundaria. Si el primario tiene 1000 giros y el secundario tiene 100 giros, reducirá un voltaje de CA de 120V a 12V. Habrá una ligera pérdida de potencia, pero generalmente los transformadores tienen una eficiencia superior al 90%. Si asumimos una eficiencia cercana al 100%, se deduce que si disminuimos el voltaje diez veces, también podemos aumentar la corriente diez veces, de manera simplista: -
\ $ V_ {in} \ cdot I_ {in} = V_ {out} \ cdot I_ {out} \ $
El transformador se encuentra en el corazón de una fuente de alimentación de conmutación fuera de línea, pero en lugar de que el transformador se alimente con CA bruta a 60Hz o 50Hz, se alimenta a una frecuencia mucho mayor y esto significa que se puede usar un transformador mucho más pequeño.
Por lo tanto, el 110V AC entrante se rectifica y suaviza (no a 110V DC) pero a un voltaje más como 154 voltios DC. Esto alimenta un oscilador de potencia (que puede funcionar a 100 kHz) y esto impulsa el transformador primario.
En el secundario (el lado de baja tensión) hay otro rectificador y más condensadores de suavizado. También puede haber un sistema de retroalimentación que mantenga la salida estrechamente regulada. Aquí hay un diagrama de bloques típico: -
Así que debería poder arreglármelas con un cable de calibre más pequeño que va a la entrada (a alto voltaje) de mi fuente de alimentación de conmutación mientras tengo que use un cable de calibre más pesado para la salida (a un voltaje más bajo).
¡Correcto!
Hay muchas topologías diferentes para las fuentes de alimentación de modo conmutado. Creo que podría estar confundiendo algunos de los conceptos.
Primero que nada, en todos los casos que conozco, AC se convierte a DC utilizando un rectificador de algún tipo. La CA no está conectada al elemento de conmutación.
Hay una familia de SMPS llamados convertidores fuera de línea. Estos conectan la CC rectificada de alto voltaje y el elemento de conmutación a un transformador. Esto proporciona dos beneficios principales. La primera es que una alta frecuencia de conmutación le permite utilizar un transformador más pequeño. (Así es como hacen que los cargadores de iPhone sean lo suficientemente pequeños para caber dentro de un enchufe de alimentación). El segundo beneficio es el aislamiento de la tensión de la red, que es un requisito de seguridad.
Más SMPS básicos a menudo se denominan convertidores DC-DC, y creo que esto es realmente lo que estás preguntando. Puedes pensar en estos como relés de energía. Utilizan un inductor para almacenar y limitar el flujo de energía eléctrica en función del ciclo de trabajo del interruptor. Observe un convertidor de aceleración: nunca hay una ruta de conducción entre el voltaje de la fuente y la carga:
Mucha gente piensa que energía = voltaje, y luego se confunde cuando aparecen los inductores. Recuerde, solo porque hay una corriente y una caída de voltaje, no significa necesariamente que la energía se pierda.
En los suministros de modo conmutado, la energía perdida (calor generado) se encuentra en el diodo de marcha libre, en el inductor / condensadores utilizados y, como usted mencionó, en el elemento de conmutación.
La combinación de ESR de los condensadores, la caída de voltaje hacia adelante desde el diodo de marcha libre (siempre un diodo Schottky) durante el ciclo de apagado y la resistencia de CC del inductor son las que se combinan para generar pérdidas de eficiencia.
Lo importante es también el ciclo de trabajo máximo / mínimo del convertidor, y algunos no son tan buenos para mantener las condiciones del ciclo de trabajo bajo. Pueden ser muy ineficientes en ciclos de trabajo muy altos o muy bajos (generalmente determinados por el voltaje de entrada o la diferencia en los voltajes de entrada / salida) y se quema más energía de lo normal a través del diodo.
Es posible que desee consultar un diagrama animado que muestre un convertidor Buck con diodo e inductor y configuración de condensador y ver dónde fluye la corriente durante el ciclo, y ver dónde ocurren las pérdidas.
Lea otras preguntas en las etiquetas power power-supply ac efficiency switching