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Fuentes de alimentación

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Artículo que nos introduce en el conocimiento básico sobre las fuentes de alimentación: el primer paso a un buen amplificador.

Texto: Ramon Sendra

Todas las etapas de potencia, receptores de A/V y amplificadores integrados necesitan de una fuente de alimentación, un circuito electrónico cuya misión es convertir la corriente alterna que nos llega a través de los enchufes en corriente continua. Pero cada dispositivo requiere de unos valores de entrega de corriente (potencia) distintos, por lo que cada fuente de alimentación es diferente. En el caso de las etapas de potencia, además, la fuente de alimentación es un punto crítico e importante, puesto que de ella depende el buen desarrollo del objetivo de una etapa: entregar una corriente que no sólo sea capaz de mover un altavoz, sino de hacerlo con la mínima distorsión posible.

Aunque, como veremos, puede resultar sencillo convertir la corriente alterna en continua, desgraciadamente siempre existen variaciones significativas en el suministro eléctrico, como caídas de tensión y picos transitorios. De hecho, la mejor manera de conseguir una corriente continua fidedigna es mediante el uso de pilas o acumuladores de energía, aunque se descargan con el tiempo y resulta una solución tremendamente cara. Lo más habitual es utilizar circuitos que conviertan la corriente que conseguimos en nuestros enchufes que, como sabemos, es alterna con una frecuencia de 50 Hz (60 Hz para gran parte del continente americano).

Si el uso de pilas resulta caro, existe una solución intermedia que consiste en el uso de acumuladores de energía, previa transformación de alterna a continua. Estos acumuladores “conectados”, sin embargo, también tienen sus desventajas. Mientras que con el uso de pilas tenemos la ventaja de que abaratamos el precio del producto al poder prescindir de la electrónica que transforma la energía, en los acumuladores no sólo nos es necesario un transformador, sino que, además, el circuito de carga resulta caro, eso sin contar con la necesidad de tener enchufado el equipo varias horas antes de su uso para asegurar un flujo continuo de corriente. La mejor opción, hoy en día, es el uso de fuentes de alimentación que se conecten a la red eléctrica. La mayoría de estos equipos no irán pululando por nuestro salón: se instalan una vez y es raro que los movamos de manera constante. En la actualidad es fácil instalar un enchufe cerca de estos equipos. Además, en el caso de los amplificadores y etapas de potencia, la cantidad de corriente que se demanda no suele facilitar el uso de acumuladores independientes (pilas), debido a su vida limitadísima.

A grandes rasgos, una fuente de alimentación está formada por cinco etapas diferenciadas: transformación, rectificación, filtrado, regulación y división de tensión.

La etapa de transformación es la que se encarga de modificar la tensión de entrada (en nuestro caso, los 220 V) en el valor demandado por los circuitos del equipo. Es decir, se modifican, si es necesario, esos 220 V en alterna en valores nuevos de 15 V, por ejemplo. Se pueden conseguir tantas salidas de tensión diferentes como se deseen, algo habitual puesto que hay varios circuitos electrónicos con su propia alimentación.



EL TRANSFORMADOR



El elemento más conocido de una fuente de alimentación son los transformadores, justamente por su pesado y abultado tamaño. La mayoría de los sistemas electrónicos que utilizamos trabajan con tensiones de hasta 24 V, por lo que usamos los conocidos transformadores para “reducir” esos 220 V a los 24 V deseados. En nuestro ambiente “doméstico” obtenemos corriente monofásica, por lo que se utilizan transformadores monofásicos. Éstos se basan en el principio de que la energía eléctrica se puede transportar de manera eficaz por inducción magnética de una bobina a otra, a través de un flujo magnético variable, siempre que las bobinas estén situadas en el mismo circuito magnético. Ésta es la imagen que tenemos de un transformador. En él se utilizan varias chapas de material ferromagnético que forman un bucle (como si de anillos se tratara).

Conectamos a cada lado una bobina. En los bornes de cada bobina obtenemos una tensión diferente. En función del número de “vueltas” de las bobinas, conseguimos un valor u otro de tensión en la secundaria. Como la transmisión se realiza magnéticamente, además logramos aislar una corriente de la otra. Este aislamiento eléctrico suele eliminar algunos parásitos propios de la corriente primaria (la que tenemos en el enchufe de nuestra casa). Un transformador de relación 1:1 indica que las bobinas primaria y secundaria son idénticas, por lo que tenemos la misma tensión en ambos bornes. Pero podemos conseguir eliminar algunos parásitos (ruidos) que resultan molestos. En este caso, hemos utilizado un transformador como filtro de corriente. Este transformador sólo funciona con corriente alterna. Si a la bobina primaria le aplicamos una corriente continua, nunca tendremos tensión alguna en la secundaria. Los tres parámetros más importantes de un transformador son la tension del secundario (expresada en voltios eficaces, V RMS), su potencia (en VA o W) y su factor de regulación.

Sobre el papel, la potencia en ambas bobinas debe ser exactamente la misma. Si potencia es el producto del voltaje por el amperaje, al reducir uno aumentamos el otro. En la práctica, a causa de las pérdidas del propio circuito magnético (por la histéresis y las corrientes de Focault) y de las de las bobinas (por el efecto Joule), las potencias difieren sensiblemente. El cociente entre la potencia del secundario y la del primario se conoce como rendimiento. Cuanto menor sea el resultado, mejor será el transformador.

Un aspecto que debemos tener en cuenta es que durante la etapa de rectificación tendremos una pérdida notable de tensión (un puente de diodos tiene una caída de unos 600 mV), por lo que es normal que en la bobina secundaria busquemos una salida de tensión algo superior a la deseada. Si queremos varias tensiones diferentes a partir de un único transformador, nos bastará incluir tantas bobinas “secundarias” como deseemos o, como podemos leer al final de este artículo, utilizar un divisor de tensión. Eso sí, la suma de amperajes de cada circuito en la sección secundaria nunca será superior (sobre el papel, igual) al amperaje en el cirucito primario.

Pequeño inciso para un protagonista habitual en los equipos de alta gama: el transformador toroidal. Éste no se distingue, desde el punto de vista del principio de funcionamiento, de cualquier otro tipo de transformador. La diferencia está en el núcleo, que da esa forma característica. Con este diseño, los valores de tolerancia y aprovechamiento son mejores, frente al tradicional diseño en forma de anillos.

Curiosamente, pesan menos y su tamaño es menor que los de diseño convencional, aunque suelen utilizarse para grandes entregas de corriente, por lo que, al final, pensamos que son justamente pesados por naturaleza (pero hay una excepción: ruido, que seguidamente explicamos). Uno de sus defectos más conocidos es que sus planchas tienden a vibrar, ofreciendo un sonido característico y poco deseado en alta fidelidad. Reducir estas vibraciones significa un mayor coste de fabricación y mayor peso.



RECTIFICACIÓN



El siguiente paso es convertir lo alterno en continuo. Lo más habitual consiste en conectar, en serie con la carga, un diodo rectificador. Un diodo es un elemento electrónico que sólo deja pasar a través de él las corrientes de potencial positivo. Si entendemos la señal alterna como una onda sinusoidal, allí donde conectemos un diodo sólo obtendremos las formas de onda que aparecen durante el semiperíodo positivo (es decir, la mitad de ellas). Un diseño estandarizado es el puente monofásico de onda completa o puente de Graetz.

La señal que se obtiene tras este puente se puede considerar continua, pero también es pulsatoria. De hecho, lo que ahora hemos conseguido es “voltear” los semiperíodos negativos como si fuesen positivos, “dibujando” una señal variable en el tiempo pero siempre en la zona positiva. Es necesario filtrar esta corriente para obtener un valor lo más lineal posible.



FILTRADO



Para convertir esa señal ondulante en algo lo más continuo posible se utiliza, en diseño básico, un condensador en paralelo. El condesador es un elemento electrónico capaz de almacenar cierta energía para que podamos disponer de ella cuando queramos. El objetivo es almacenar tensión e ir dejándola justo cuando la tensión que sale del puente de rectificación decae hacia la tensión de 0 V. Cuando menor es la tensión a la entrada del condensador, éste debe entregar parte de su energía almacenada. Así sucesivamente durante toda la secuencia.

He aquí otro aspecto diferencial de las fuentes de alimentación. Es muy complejo conseguir una tensión continua totalmente lineal, lo que podemos traducir que para conseguir la máxima perfección tenemos que utilizar cicruitos electrónicos más precisos y complejos, es decir, más caros. Las variaciones de la onda resultante tras el filtrado (que se mide según su eficacia) pueden ser poco críticas en según qué aplicaciones, pero son notables en el caso de las etapas de potencia y amplificadores.

Otra opción es utilizar condensadores de mayor capacidad y entrega para solventar las pequeñas deficiencias en la entrega de corriente primaria. En el caso de una bajada de tensión, la (posible) energía almacenada a modo de reserva en alguno de los condensadores electrolíticos debe facilitar una entrega extra que permita evitar trasladar la falta de tensión momentánea a la etapa de salida.



REGULACIÓN




Para conseguir nuestro objetivo entra en juego la regulación, una etapa que no siempre está presente en determinadas fuentes de alimenatción. Este proceso intenta mejorar esa tensión continua de entrada ligeramente variable entre dos valores extremos en una tensión continua de salida casi pura. Existen muchísimas alternativas a esta etapa, más con la proliferación de los transistores, diodos Zener y circuitos integrados.

En este último caso se suelen utilizar los integrados 78xx y 79xx en diseños básicos que, a precios moderados, consiguen regular de una manera eficiente la tensión. Una combinación de ambos permite tensiones de +/- 12 V sin un uso complicado ni caro de varios componentes electrónicos. Todavía hay quien recurre a los transistores para una regulación aún más precisa, pero resulta cara debido al uso de elementos electrónicos que deben soldarse y diseñarse a la perfección. Otra vez volvemos a ejecutar la sentencia de siempre: la mejor regulación siempre está asociada a un precio más elevado.

Asimismo, en esta etapa es necesario proteger el sistema ante picos de corriente inesperados, no sólo para que el circuito de regulación se estropee, sino para que la corriente continua final sea lo más estable posible.



DIVISIÓN DE TENSIÓN




En este último proceso, muchas veces nada crítico, dividimos la tensión continua final entre tantos valores y fuentes como nos sea necesario, ya que no todos los circuitos que forman un amplificador o etapa de potencia tienen por qué utilizar la misma tensión.