Fuentes de alimentación ¿lineales o conmutadas?

Todo aparato electrónico precisa de una alimentación continua para su correcto funcionamiento, cuyos valores de tensión e intensidad varían en función del comportamiento de cada uno, lo que obliga a utilizar circuitos que permitan conseguir la tensión continua requerida. A nuestro alcance tenemos dos fuentes de energía principales: el suministro eléctrico y las fuentes autónomas (como pilas o acumuladores), siendo la primera la mejor opción: una corriente alterna de 220 voltios a 50 Hz en nuestro país. Aun así, no nos salvamos de un suministro sin caídas o elevaciones de tensión esporádicas que influyen notablemente en nuestros aparatos.

Hasta hace relativamente poco, algunos elegían su amplificador en función del peso. Las fuentes de alimentación lineales basan su funcionamiento en un transformador, un componente electrónico pesado (y cuanto más pesado, según la tradición, mejor). Pero también es verdad que desde hace un tiempo empiezan a popularizarse las fuentes conmutadas, mucho más livianas y eficientes, paralelamente a los amplificadores “digitales” (a quienes dedicamos un artículo entero en este mismo número). Pero, si tan perfectas son ¿porqué hay fabricantes, sobretodo de gamas altas, que prefieren utilizar las pesadas fuentes tradicionales?

Aunque existen directrices europeas que planean hacer desaparecer las fuentes tradicionales a causa de su alto índice de contaminación electromagnética y baja eficiencia, son aun pocos los fabricantes que recurren a las fuentes conmutadas. De momento son ya algo habituales en equipos básicos y sistemas completos cuyo atractivo es la estética, gracias en parte al contenido tamaño de la solución conmutada.

La fuente de alimentación, independiente de su diseño electrónico, es el primer elemento necesario en cualquier equipo electrónico. Pocas veces le otorgamos la importancia necesaria, analizando aspectos posteriores a esta etapa como es el caso de los descodificadores y convertidores de audio y vídeo en reproductores de DVD-Vídeo, o las etapas de amplificación de un receptor de A/V. Pero el primer paso, y esencial, es la conversión de una tensión de 220 voltios en alterna a una nueva tensión continua, cuyo valor de tensión y amperaje o intensidad vendrá demandado por los requerimientos técnicos de cada solución electrónica (no es lo mismo una fuente para un lector que una fuente para un amplificador).

De hecho, la fuente de alimentación puede dividirse a grandes rasgos en cinco partes: etapa de transformación, etapa de rectificación, etapa de filtrado, etapa reguladora y etapa divisora de tensión. Algunos dispositivos de escala básica o con menos necesidades eléctricas suelen omitir la etapa de regulación.



Etapas de una fuente



La primera tarea de una fuente es transformar el valor de tensión alterna de la red pública hasta el valor demandado por los circuitos electrónicos del aparato. Esta alteración es normalmente “hacia abajo”, aunque es posible aumentar el valor de entrada. Otra función importante de esta etapa de transformación es aislar la electrónica del aparato de la red de alimentación.

El siguiente paso es la conversión de la corriente alterna procedente de la salida de la etapa de transformación en una corriente continua. Por desgracia, esta corriente continua no es del todo lineal, por lo que es necesario el concurso de una etapa de filtrado, con el objetivo de conseguir una corriente continua con la tensión demandada lo más recta o lineal posible. El resultado final dependerá en gran medida de la calidad del filtro utilizado, siendo éste uno de los puntos críticos de cualquier fuente de alimentación.

La siguiente etapa (que como ya hemos comentado algunos productos no incorporan) ajusta aun más las pequeñas oscilaciones que puedan quedar después del filtrado, manteniendo la tensión constante en un margen muy ajustado, intentando evitar su modificación aun apareciendo esporádicas variaciones en la tensión nominal de la red primaria.

Un equipo electrónico está formado por diferentes circuitos electrónicos, responsables cada uno de sus propias tareas. Cada circuito necesita de su propia tensión, por lo que entra en juego la etapa final divisora.



El transformador



Cuando hablamos de fuentes de alimentación lo primero que nos suele venir a la cabeza es el típico transformador. Este dispositivo electrónico es responsable de la transformación (de ahí su nombre) de una tensión con valor definido a otra tensión de valor diferente. Para ello basa su diseño en las características de los campos magnéticos. Un transformador es un circuito magnético, formado por chapas apiladas de material ferromagnético, sobre el que se arrollan dos bobinas. La primera bobina, conectada a la red eléctrica, crea un flujo magnético que al pasar por la segunda bobina ésta convierte otra vez en tensión eléctrica. Una correcta combinación de espiras y material ferromagnético consigue el valor de tensión deseado. La gran mayoría de circuitos electrónicos tienen suficiente con tensiones de 24 voltios, siendo el amperaje un elemento decisorio en amplificadores. Algunos habrán oído hablar de los transformadores toroidales. Estos, de forma cilíndrica, no se diferencian en principio de las propiedades eléctricas y magnéticas de cualquier otro transformador, siendo la única diferencia su núcleo, el cual tiene forma de anillo (toroidal). Aunque este tipo de transformador suele utilizarse en amplificadores de alta gama (comúnmente pesados) entre sus ventajas encontramos que gracias a su menor dispersión de flujo hay un mejor aprovechamiento y por lo tanto menor peso y tamaño. Su inconveniente es la tendencia de vibración de sus planchas metálicas, algo que para solucionarse implica mejor diseño, es decir, mayor coste y precio final.

Aun así, todos los transformadores y sus respectivos circuitos electrónicos (sobretodo los puentes de diodo en la etapa rectificadora) añaden pérdidas o caídas de tensión, por lo que sólo un buen diseño y una correcta elección de sus componentes permitirá una corriente continua de salida limpia y constante. Entre estos componentes también están los condensadores, responsables directos de la etapa de rectificación. Cuanta más capacidad y mejor tiempo de contención permitan, más lineal y pura será la tensión directa generada.

Finalmente, el diseño de una fuente de alimentación debe elegir entre reguladores con diodos Zener, transistores (o una combinación de ambos) o circuitos integrados, diferentes opciones con costes variados y resultados más o menos precisos.

Hasta el momento hemos repasado brevemente la anatomía de una fuente de alimentación básica.

Este diseño de fuente de alimentación, llamado lineal, tiene como principales inconvenientes su peso, volumen y emisión de calor. Podemos verificar este punto acercando nuestra mano a un amplificador que lleve varios minutos funcionando: estará caliente. La energía no se crea ni se destruye, sino se transforma. Por lo tanto, esta calor es signo evidente de que parte importante de la corriente recogida de la red de alimentación es desperdiciada en forma de calor, dicho de otro modo, la eficiencia de este tipo de fuente lineal es baja. Otro grave problema de las fuentes lineales es que añaden distorsión a la red eléctrica principal, una serie de pulsos no deseados que pueden incidir notablemente en los otros aparatos electrónicos. Todos hemos sido espectadores de cómo un antiguo televisor, una nevera u otro aparato añadía ruidos a nuestra audición, en forma de clic no deseado.

Aun así, estas fuentes lineales tienen sus ventajas, como un ruido en funcionamiento menor y, al carecer relativamente de mucha electrónica, un menor índice de problemas incluso a perturbaciones creadas por radiaciones electromagnéticas (incluyendo las propias del transformador en el caso de que esté mal apantallado).



Fuentes conmutadas



Para solucionar el problema de peso y eficiencia, la NASA desarrolló las primeras fuentes conmutadas en los años 40, consiguiendo una solución mucho más eficaz y, importante para ellos, más liviana (algo esencial cuando un kilo de peso supone un alto coste en viajes espaciales). Una fuente conmutada basa su diseño en la transferencia de energía de manera controlada entre el circuito primario y secundario de un transformador. Esta revolución supuso un cambio drástico al alcance de muy pocos, dado su alto coste y escaso desarrollo. En la actualidad, las fuentes conmutadas están muy presentes en nuestro hogar, gracias a su mayor estabilidad, seguridad, eficiencia y mismo precio en comparación a una fuente lineal. Los ordenadores portátiles, muchos dispositivos de tamaño compacto o la gran mayoría de televisores desde hace 10 años utilizan este diseño de fuente.

Aun así, tuvo que redactarse una directriz en el 2001 (la normativa EN60555-2) que exigía un circuito de factor corrector de potencia (PFC) para todo tipo de fuentes con la clara intención de mejorar la calidad del fluido eléctrico, es decir, evitando la incidencia de parásitos y otros elementos no deseados en la red eléctrica común. De hecho, las fuentes conmutadas son más propicias a cumplir con esta normativa.

Una fuente equipada con PFC (Power Factor Correction) reduce los harmónicos reinyectados a la red mediante un filtro activo que corrige la forma de la onda de intensidad de entrada haciéndola senoidal en fase con la tensión.

Otra de las ventajas de una fuente conmutada es su mayor índice de eficiencia (es decir, el aprovechamiento mejor de la corriente y voltaje de entrada en la etapa de salida). Al conseguir mayor eficiencia se reduce la cantidad de energía que se transforma en calor, por lo que nos podemos encontrar con fuentes de alimentación frías, algo que también mejora la vida de los componentes electrónicos.

Claro que las fuentes conmutadas también tienen sus problemas, como la dificultad que les supone no soportar picos de tensión transitorios, cuando una fuente lineal los soporta hasta en magnitud 10 (es decir, es capaz de soportar picos de hasta 10 veces el valor nominal).



Panorama actual



Si las fuentes conmutadas ya son una realidad en ordenadores personales y otros pequeños electrodomésticos, ¿qué pasa en aparatos audiovisuales?

La popularización de la amplificación digital ha permitido que la palabra “fuente conmutada” consiga mayor presencia. De hecho, la sinergia práctica entre ambas tecnologías es muy propicia, ya que ambas soluciones añaden peso y eficiencia en sus características. Pero en la mayoría de los casos, las fuentes conmutadas son presentes en equipos de bajo consumo, lo que incluye reproductores, sintonizadores o televisores. ¿Porqué no se incluyen en amplificador de altas potencias?

A esta pregunta nos responde Keiichi Onodera, diseñador de los más recientes amplificadores de alta gama para Pioneer Corporation. “Las fuentes conmutadas no han llegado aun a su máximo potencial, siendo poco adecuadas en soluciones tecnológicas de alta gama”, comenta Onodera. “En el receptor de A/V Pioneer VSA-AX10Ai utilizamos una fuente de alimentación tradicional ya que nos ha parecido la mejor opción para nuestros propósitos”.

No piensan así los responsable de Linn, que en su catálogo disponen de varios productos equipadas con fuentes conmutadas. Ejemplo de ello su sistema completo de A/V Linn Classik Movie DI, capaz de ofrecer hasta 75 W RMS (4 ohmios) por canal; o sus etapas multicanal, avanzándose así a las directrices europeas con soluciones vanguardistas y avanzadas tecnológicamente.