¿Sabe cómo prevenir las fluctuaciones de voltaje?

Uno de los tipos más comunes de problemas en la fuente de alimentación es la fluctuación del voltaje de salida. Este problema es causado por varios factores, incluyendo variaciones en el voltaje de entrada, cambios imprevistos en la corriente de carga, malfunciones en el lazo de control de retroalimentación, problemas con la frecuencia de conmutación, tolerancias de componentes, variaciones de temperatura y envejecimiento de componentes. 

Este artículo explorará brevemente las causas de la fluctuación del voltaje de salida y proporcionará perspectivas sobre cómo resolver y prevenir estos problemas.

Variaciones del Voltaje de Entrada

La tensión de entrada a la fuente de alimentación (o al chip regulador) podría fluctuar excediendo los límites máximos/mínimos absolutos del chip regulador. El chip regulador/controlador no es capaz de manejar estas variaciones y, dependiendo de la frecuencia de las variaciones, la tensión de salida podría disminuir, aumentar o demostrar una cantidad significativa de rizado. 

Por ejemplo, por favor mire el diagrama de aplicación del famoso chip regulador LM2576-5.0 [1] de Texas Instruments (Figura 1). Se indica claramente que el rango de variación de la tensión de entrada podría estar entre 7-40V (60V para la versión HV). Otro ejemplo es el chip LNK30X, de Power Integrations (Figura 2) [2]. Aquí, se menciona que la tensión de entrada AC no debe superar los 265VAC, ni caer por debajo de los 85VAC. De lo contrario, la tensión de salida podría fluctuar, especialmente bajo alguna carga.

Se debe notar que una fuente de alimentación podría no ser capaz de manejar variaciones de tensión súbitas y significativas en la entrada, incluso si las variaciones se encuentran dentro del rango mínimo/máximo. Esto también puede causar que la tensión de salida fluctúe.

Figura 1

Diagrama de aplicación del chip convertidor buck LM2576-5.0

Figura 2

LinkSwitch-TN Entrada Universal, salida de 12V-120mA

Cambios de Carga

La fuente de alimentación podría no ser capaz de manejar cambios repentinos en la corriente de carga, lo que lleva a que el voltaje de salida fluctúe. Por ejemplo, si la entrega de corriente de una fuente de alimentación está calificada con un máximo de 3A, y la carga de repente extrae 4A, si esto sucede periódicamente, entonces llevará a que el voltaje de salida caiga y fluctúe.

Además, incluso si la corriente de la carga solo varía dentro de un rango limitado, la fuente de alimentación debe ser ajustada y probada contra la “respuesta de paso de carga”, utilizando una carga DC. Para ponerlo simplemente, una carga DC aplica pulsos de carga periódicamente (por ejemplo: nivel de corriente bajo: 1A, nivel de corriente alto: 3A) al salida de la fuente mientras se monitorea el voltaje de salida para detectar cualquier resonancia. Esta es una prueba esencial para las aplicaciones donde la corriente de carga podría cambiar significativa y frecuentemente, como un automóvil donde el conductor podría encender/apagar los faros, elementos de calefacción, ... etc. bastante a menudo. La Figura 3 muestra una fuente de alimentación sin ajustar [3]. La Figura 4 muestra una fuente de alimentación modificada/ajustada [3] que pasa la prueba de respuesta de paso de carga.

Figura 3

Fuente de alimentación no sintonizada (Rosa: Pulso de Corriente, Amarillo: Voltaje de Salida, Naranja: Voltaje de Salida (Promedio de 4P)

Figura 4

Fuente de alimentación sintonizada (Rosa: Pulso de Corriente, Amarillo: Voltaje de Salida, Naranja: Voltaje de Salida (Promedio de 4P)

Bucle de Control de Retroalimentación

¡Esta es la razón más probable detrás de todas las fluctuaciones del voltaje de salida! Por lo tanto, deberías verificar esto primero antes de buscar otros posibles problemas de fluctuación del voltaje de salida. Un bucle de control de retroalimentación es simplemente un camino de circuito para que el controlador/regulador sienta la salida y estabilice el voltaje. Cualquier mal funcionamiento en el circuito de retroalimentación, al menos, llevará a una fluctuación del voltaje de salida. 

El camino de retroalimentación es fácil de identificar en los circuitos reguladores de voltaje lineales y de elevación/reducción. Para los convertidores flyback, los componentes mínimos del bucle de control de retroalimentación son el optoacoplador y el diodo Zener (o un regulador shunt) (figura 5). El diodo rectificador de salida y los capacitores de filtrado también juegan un papel significativo en la estabilización del bucle de control, lo cual se discutirá en el “envejecimiento de los componentes”.

Figura 5

Un circuito típico de un convertidor flyback

Frecuencia de Conmutación

Si diseñas/reparas una fuente de alimentación y el voltaje de salida es inestable, entonces una razón probable podría ser una frecuencia de conmutación incorrecta. La frecuencia de conmutación juega un papel muy significativo en los cálculos y en los valores de los componentes. Una desviación significativa de la frecuencia calculada o cualquier inestabilidad puede causar que el voltaje de salida fluctúe.

Tolerancia de los Componentes

Las fuentes de alimentación están compuestas por varios componentes discretos, y sus tolerancias deben mantenerse dentro de un rango aceptable, por ejemplo, una tolerancia del 5%. Si estos componentes muestran una tolerancia más alta o si usas componentes de baja calidad, puede causar que el voltaje de salida fluctúe o se degrade en eficiencia. Por lo tanto, si diseñas tu fuente de alimentación, debes mantenerte lo más cerca posible de tus valores calculados. En caso de un intento de reparación, reemplaza el componente defectuoso por uno idéntico (valor, tamaño, tolerancia).

Variaciones de Temperatura

Naturalmente, las fuentes de alimentación generan calor, por lo tanto, este calor debe disiparse adecuadamente usando disipadores de calor y ventiladores. De lo contrario, el calor extensivo impone estrés térmico sobre los componentes y reduce su vida útil, lo que fácilmente puede causar que el voltaje de salida fluctúe. Además, si la temperatura ambiente del entorno de aplicación es alta o si no hay una ventilación adecuada, esto también puede llevar a fluctuaciones de voltaje porque los componentes no pueden enfriarse adecuadamente. 

Componentes envejecidos

Con el tiempo, el rendimiento de los componentes, especialmente los capacitores electrolíticos, puede disminuir, lo que lleva a fallos. La mayoría de las veces, es obvio cuando un capacitor electrolítico cambia su forma o se ve abultado, pero a veces se secan sin ningún signo visual. Los capacitores de salida abultados o secos son una de las razones más comunes de la fluctuación del voltaje de salida porque los capacitores fallidos afectan el rendimiento del bucle de control de retroalimentación e incrementan el rizado/salida de ruido. 

Además de esto, el capacitor principal de entrada (después del rectificador de puente) o los capacitores de desacoplamiento del chip controlador podrían fallar y afectar el voltaje de salida. Como regla general, cualquier capacitor que haya perdido más del 20% de su valor de capacitancia original debe ser reemplazado. Por lo tanto, un medidor LCR es una herramienta indispensable para cualquier intento de diseño o reparación de una fuente de alimentación. 

Este video explica tres maneras de probar una falla en un capacitor electrolítico [4], sin medir el ESR. Si buscar y reparar capacitores electrolíticos individuales lleva demasiado tiempo, ¡entonces reemplazar todos los capacitores electrolíticos podría ser una decisión sabia! La Figura 6 muestra un capacitor abultado.

Figura 6

Un condensador electrolítico abultado
 

Referencias

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Respuesta de Carga con una Carga Electrónica DC de SIGLENT: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: Cómo Detectar Fácilmente un Condensador Fallido: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU