Caída de voltaje si el consumo de energía es demasiado rápido: ¿Ocurre naturalmente o regulado?

  

¿Cuál es el motivo de la caída del voltaje?

Esta pregunta es una confusión conceptual. Nada sucede "naturalmente" sin salirse de las especificaciones. Las fuentes de alimentación no son "fuentes de alimentación constantes", son "voltaje constante" o "corriente constante". Es difícil diseñar una fuente de "potencia constante" porque los elementos rectificadores de salida están limitados en la capacidad de transmisión de corriente, por lo que es problemático suministrar una corriente alta a bajos voltajes (para mantener una potencia constante). Y, como lo explica el usuario 287001, las PSU en modo de conmutación no convierten la energía al 100%, tienen límites de tiempo y otros componentes, y la conservación "natural" de la energía no se aplica por completo.

En la práctica hay al menos cuatro categorías de fuentes de alimentación y "adaptadores de cargador":

1. Fuente de alimentación de voltaje constante con protección contra sobrecorriente. Este PS mantiene su voltaje de salida constante (ejemplo: 20V @ 5A) hasta que el consumo de carga exceda de 5 A. Para obtener 5 A, la carga debe ser de 4 ohmios. Si la carga disminuye, el PS simplemente se apagará y se necesitará un ciclo de apagado y encendido para restablecer la salida. Existen varias líneas de protección contra la quema de humo, como el apagado térmico, etc.

2. Una fuente de alimentación con modo de voltaje constante y corriente constante. Digamos, lo mismo 20V @ 5A. Nuevamente, si la carga es liviana, por debajo de 5 A, la salida PS es 20V (más-menos alguna variación llamada "regulación de voltaje"). Si la carga es inferior a 4 ohmios, el PS ingresa a CC (modo de corriente constante), por lo que la tensión cae, pero la corriente de carga permanece constante en 5 A. Entonces, si la carga es tan baja como 1 ohmio, la tensión de salida será de solo 5 V, no Más, y la potencia será de tan solo 25W. Incluso si corta la carga completamente, el PS seguirá manejando 5 A a voltaje cero en sus terminales de salida. Así es como se diseñan la mayoría de las fuentes de alimentación de mesa de laboratorio. Mantener la regulación de CV-CC de rango completo es costoso, por lo que las PSU de mesa son caras.

3. Una fuente de alimentación que tiene cierto rango de voltajes de salida cuando se convierte en modo CC. Esto se debe a simplificaciones de diseño y por elección deliberada. El uso más frecuente de este tipo de PSU se llama "Controlador LED". La PSU de ejemplo entregará 20V hasta que la carga esté por debajo de 5A, e ingrese al modo CC después de eso, al igual que el # 2. Sin embargo, este tipo de PS tiene un rango limitado de voltajes de salida (típicamente 50% del nominal) donde puede mantener la corriente constante. Después de eso, o bien se apaga según # 1, o se comporta de forma errática e intermitente. En las aplicaciones, para un funcionamiento más eficiente, el conjunto de LED debe tener una capacidad nominal de 5A en total (por ejemplo, 5 LED de 1-A en paralelo), con la suma de los voltajes directos de 20 V, pero por encima de 10 V (se asume un rango de 50% CC).

4. Una fuente de alimentación que está diseñada para suministrar / cargar dispositivos móviles como computadoras portátiles y teléfonos inteligentes. Son más como el # 3, y comienzan a disminuir su voltaje cuando están ligeramente sobrecargados. Esta es una característica de diseño exigida por las especificaciones de carga de la batería. Muchos dispositivos inteligentes están diseñados para detectar esta caída de voltaje y reducir el consumo, por lo que el PS sigue generando un voltaje razonable. Los dispositivos inteligentes pueden reducir la corriente consumida hasta el punto en que su batería ya no se carga (pueden controlar la tasa de carga en un amplio rango) y pueden reducirla aún más al administrar la potencia del procesador a expensas del rendimiento del dispositivo, o equilibrar los dos procesos (cargando batería mientras que tiene alguna funcionalidad reducida).

Entonces, para responder a su pregunta mientras la enmarcaba, sí, la fuente de alimentación de la computadora portátil reduce el voltaje deliberadamente, probablemente con la ayuda de "causas naturales".

Los cargadores de portátiles parecen utilizar el principio de retorno. Es decir: se observa el voltaje en el condensador de salida. Cada vez que parece ser demasiado bajo (hay una retención de caída muy por debajo de 1 V, por ejemplo, 100 mV), se inyecta un nuevo pulso de corriente en el capacitor de salida para elevar la tensión al nivel aceptable.

Inyectar un pulso es una operación de dos fases:

• un interruptor permite que un inductor acumule corriente de la tensión de red rectificada
• el interruptor está apagado, la corriente del inductor continúa dondequiera que encuentre un camino (abrirá el camino aumentando el voltaje hasta que se rompan los aislamientos, si la ruta no está preparada).

En las fuentes de alimentación, la ruta preparada es hacia el condensador de salida que obtiene toda la energía que se acumuló en el inductor durante el período de encendido del interruptor.

Este sistema tiene protección natural contra sobrecargas. Una corriente de salida demasiado alta simplemente hace que la tensión de salida caiga. Su conjetura "empuja a un máximo de 100W y baja el voltaje si la corriente es demasiado alta" no es para nada malo. El sistema de conmutación no puede inyectar los pulsos con demasiada frecuencia, acumular la energía en el inductor lleva tiempo.

El principio de retorno tiene un inconveniente. Cuando la corriente de salida es baja, las inyecciones necesarias pueden ser tan escasas que la frecuencia del pulso está en el rango de audio. Eso se puede escuchar porque los inductores vibran ligeramente. Una solución es observar la corriente de salida y hacer que los pulsos inyectados sean más pequeños para obtener una razón para emitirlos con mayor frecuencia, a una frecuencia insoportable. La medición de corriente directa no es una necesidad. El controlador inteligente puede decidir que ahora las inyecciones son tan escasas que pueden hacerse más pequeñas.

También hay otra razón para observar la corriente de salida. Un cortocircuito provoca que toda la energía inyectada se disipe dentro del cargador, lo que provocará un sobrecalentamiento. Una vez más, una medición de corriente directa no es una necesidad. El razonamiento indirecto puede revelar un cortocircuito. Si las inyecciones repetidas no aumentan el voltaje de salida lo suficientemente alto, el controlador puede decidir "hay un cortocircuito" y detiene la operación.