Fundamentos de fuentes de alimentación: Modos de operación, detección remota, ondulación y ruido

Usada comúnmente en aplicaciones de investigación, diseño, desarrollo y producción, una fuente de alimentación DC es un instrumento que puede alimentar potencia DC a un dispositivo conectado. Un dispositivo conectado a una fuente de alimentación puede ser referido como una carga, dispositivo bajo prueba (DUT) o unidad bajo prueba (UUT), dependiendo del contexto. Para caracterizar un DUT o probar si un DUT está funcionando como se espera, varias fuentes de alimentación DC tienen la habilidad de suministrar potencia simultáneamente y medir el voltaje o la corriente consumida por el DUT. Habitualmente, las fuentes de alimentación proporcionan una corriente constante o voltaje constante y monitorean la caída de voltaje o de corriente resultante. Una fuente de alimentación DC programable puede ser automatizada utilizando una PC para comunicarse con el dispositivo. Algunas fuentes de alimentación DC programables pueden almacenar secuencias de salida o medidas en la memoria interna, mientras otras pueden manejar únicamente acciones inmediatas.

^{Figura 1. Muchas de las fuentes de alimentación DC operan en el cuadrante I, proporcionando voltaje positivo o corriente positiva o cuadrante III, proporcionando voltaje negativo y corriente negativa.}

Haciendo referencia al diagrama I-V en la Figura 1, la mayoría de las fuentes de alimentación DC operan en el cuadrante I, proporcionando voltaje positivo y corriente positiva o cuadrante III, proporcionando voltaje negativo y corriente negativa. La fórmula para calcular la potencia de DC es P = V x I. En el cuadrante I, el voltaje y la corriente son positivos; en el cuadrante III, el voltaje y la corriente son negativos. En ambos casos, al introducir los números en la fórmula de potencia, el resultado es una salida de potencia positiva, la cual es llamada sourcing. Al operar en el cuadrante II y IV el resultado es una salida de potencia negativa, la cual es llamada sinking. Al realizar sourcing, se genera la potencia en el suministro y se disipa en el DUT. Al realizar sinking, se genera la potencia en el DUT y se disipa en el suministro.

Algunos dispositivos llamados unidades de medida de fuente (SMUs) pueden operar en los cuatro cuadrantes, suministrando y absorbiendo potencia. Usted puede pensar en un SMU como una batería recargable ideal. Cuando usted conecta la batería al cargador, la batería extrae o absorbe la energía del cargador. Entonces, cuando usted desconecta la batería del cargador y la usa para alimentar una linterna, la batería se convierte en una fuente que proporciona energía a la bombilla. Los SMUs se utilizan comúnmente para caracterizar baterías, celdas solares, fuentes de alimentación, convertidores DC-DC u otros dispositivos que generan energía.

Otro factor diferenciador entre una fuente de alimentación DC y un SMU es la precisión. Algunas aplicaciones son especialmente exigentes y requieren mayor precisión a la que una fuente de alimentación típica puede ofrecer. Es común que las SMUs tengan alta precisión en el rango µV o pA, por lo que a menudo se prefieren cuando la precisión de los valores medidos y de origen son importantes y la aplicación requiere una sensibilidad superior a la de una fuente de alimentación típica. Si la precisión es fundamental para su aplicación, obtenga más información en nuestra nota técnica Calidad de muestreo analógico: exactitud, sensibilidad, precisión y ruido.

Además de comprender las diferencias entre suministrar y absorber energía, también es importante que usted entienda la diferencia entre el modo de voltaje constante y el modo de corriente constante. Las fuentes de alimentación DC programables pueden operar ya sea en modo de voltaje constante o corriente constante, dependiendo de sus niveles de salida y condiciones de cargar deseados.

Modo de voltaje constante

En modo de voltaje constante, el cual algunas veces se conoce como modo controlado por voltaje, una fuente de alimentación se comporta como una fuente de voltaje, manteniendo el voltaje en la constante de las terminales de salida, mientras que la salida de corriente varía, dependiendo de las condiciones de carga. Si su resistencia de carga cambia, la ley de Ohm (V = I x R) estipula que la corriente suministrada también debe cambiar proporcionalmente para mantener el nivel de voltaje de salida de la fuente de alimentación. Si la resistencia del DUT desciende repentinamente, entonces la fuente de alimentación incrementa la corriente para mantener la constante del voltaje.

Al usar una fuente de alimentación DC programable, usted puede establecer el límite de corriente deseado. Si su carga intenta extrae más corriente de lo que permite el límite de corriente programado, entonces la fuente de alimentación comienza a operar de acuerdo a ello, lo que significa que la fuente de alimentación no puede alcanzar el nivel de voltaje de salida requerido sin violar el límite de corriente programado por el usuario. En este momento, la fuente de alimentación cambia al modo de corriente constante y la corriente se mantiene en el límite de corriente. Este fundamental nivel de resistencia de carga se conoce como la resistencia compatible, que se puede calcular dividiendo el punto base de voltaje entre el límite de corriente. Otros nombres comunes para la resistencia compatible son resistencia crítica y resistencia cruzada.

Por ejemplo, supongamos que desea suministrar una constante 5 V (VS = 5 V) a su DUT, que normalmente proporciona una resistencia de carga de 50 Ω (RL = 50 Ω). Además, usted decide limitar la salida de corriente en 300 mA (IS = 0.3 A) para evitar dañar el DUT. Al usar la fórmula de resistencia compatible (RC = VS / IS), usted calcula que 16.67 Ω es la resistencia de carga mínima para mantener la salida operando en modo de voltaje constante. Si su resistencia de carga fluctúa, pero permanece por encima de 16.67 Ω, entonces su fuente de alimentación continúa proporcionando 5 V constantes. Si el DUT falla, descendiendo la resistencia de carga por debajo de 16.67 Ω, entonces la fuente de alimentación comienza a operar de acuerdo a ello, cambiando a modo de corriente constante y produciendo 300 mA estables a un nivel de voltaje menor a 5 V.

^{Figura 2. Al producir un voltaje constante, usted puede establecer un límite de corriente para proteger el DUT}

Modo de corriente constante

El modo de corriente constante es básicamente lo opuesto al modo de voltaje constante. En el modo de corriente constante, también conocido como modo controlado por corriente, la fuente de alimentación se comporta como una fuente de corriente, manteniendo la corriente que fluye a través de la constante de las terminales de salida mientras que el voltaje de salida varía dependiendo de las condiciones de carga. Haciendo referencia la ley de Ohm, si su resistencia de carga cambia, entonces el voltaje también debe cambiar apropiadamente para mantener una corriente constante. Si el DUT del ejemplo anterior falla y provoca la caída de la resistencia de carga, entonces la fuente de alimentación disminuye el voltaje de salida de manera proporcional para mantener la corriente constante. Por ejemplo, la operación de corriente constante es deseable al controlar LEDs que pueden dañarse por alta corriente.

El modo de corriente constante también está limitado por un límite de voltaje configurable, imponiendo una resistencia compatible similar al modo de voltaje constante. Usted puede utilizar el mismo cálculo usado en la sección de modo de voltaje constante para calcular su resistencia compatible para operaciones de corriente constante. Sin embargo, para el modo de corriente constante, su resistencia de carga debe mantenerse por debajo de la resistencia compatible para mantener la corriente constante deseada. La Figura 2 ilustra el concepto de resistencia compatible para modo de voltaje constante y modo de corriente constante.

Una aplicación única que requiere operación de voltaje constante y corriente constante es cargar una batería de litio-ion, que es un tipo común de batería recargable que se utiliza en dispositivos electrónicos portátiles debido a su densidad de energía, falta de efecto de memoria y pérdida lenta de carga cuando no está en uso. Para recargar una batería de litio-ion, la fuente de alimentación debe aplicar una corriente constante, monitorear el nivel de voltaje de la batería hasta que la batería alcanza su máximo voltaje. Una vez que la batería de litio-ion está completamente cargada, la fuente de alimentación debe cambiar a modo de voltaje constante, el cual proporciona la corriente mínima requerida para mantener la batería en su voltaje máximo.

Una característica clave en la mayoría de las fuentes de alimentación DC programables es la habilidad de medir la corriente y el voltaje generados. Esta característica es esencial para muchas aplicaciones como trazado de curva I-V, donde la caída de corriente debe ser medida para múltiples puntos base de voltaje. La operación de medida de una fuente de alimentación DC programable es similar a las habilidades de medidas de un multímetro digital (DMM). Al igual que con cualquier dispositivo de medida, existe un intercambio entre la velocidad a la que usted realiza medidas y la cantidad de ruido en esas medidas.

Para realizar estas medidas, elija una fuente de alimentación programable con un método de medida que sea adecuado para su entorno. Por ejemplo, NI ofrece NI-DCPower, con APIs para muchos lenguajes de programación comunes, así como InstrumentStudio, que usted puede usar para medidas interactivas, fáciles y eficientes. 

Un desafío al suministrar y medir con precisión voltajes exactos es el efecto que tiene la resistencia del conductor ante el voltaje que ve un DUT. La resistencia del conductor siempre está presente, pero puede convertirse en un problema al usar cables muy largos de menor calibre. La Tabla 1 proporciona las resistencias típicas de cable de cobre de diferentes calibres. Aunque normalmente no son mayores de unos cuantos ohms, estas pequeñas resistencias pueden tener un gran efecto en el voltaje que recibe un DUT, sobre todo cuando la resistencia interna del DUT es pequeña.

^{Tabla 1. La resistencia del conductor puede tener un gran efecto en el voltaje que un DUT recibe.}

La Figura 3 muestra un diagrama de un circuito genérico que consiste en un instrumento de suministro de energía, cables conductores, que conectan la fuente de energía al DUT. En este caso, los conductores son cables de cobre 26 AWG de 24 pies de largo, con una resistencia del conductor de aproximadamente 1 Ω para los cables positivo y negativo que conectan la fuente de energía al DUT. La corriente que sale de la fuente de alimentación provoca una caída de voltaje en Rlead1 y Rlead2, que resulta del voltaje en RDUT siendo menos de V_source.

^{Figura 3. Esto muestra un ejemplo del diagrama de conexión para una fuente de alimentación DC programable típica que puede usarse para calcular el voltaje que recibe un DUT.}

Asumiendo que la fuente de alimentación está asignada a una salida de 5 V y el DUT tiene una impedancia de 1 kΩ, usted puede calcular el voltaje real que se observa en las terminales del DUT utilizando la siguiente ecuación.

Para el caso inicial, el voltaje visto es en realidad solo 4.99 V. Para algunos dispositivos, este pequeño cambio no es un problema; sin embargo, para aplicaciones que requieren una caracterización precisa basada en el voltaje de operación, este error puede volverse crítico. Además, para dispositivos que tienen menores impedancias de entrada y por lo tanto, extraen una gran cantidad de corriente, el voltaje real en el DUT puede ser sustancialmente menor que el voltaje en la salida de la fuente de alimentación. La Tabla 2 enlista los valores que el DUT ejemplo detecta en base a valores menores de su impedancia de entrada.

^{Tabla 2. Para dispositivos con menores impedancias de entrada, el voltaje observado en el DUT puede ser sustancialmente menor que el voltaje en la salida de la fuente de alimentación debido a la resistencia del conductor.}

La solución para el error de voltaje por resistencia inducida es la detección remota, también conocida como detección de 4 cables. Esta técnica representa la caída de voltaje en la resistencia del conductor al medir el voltaje directamente en el DUT y compensar como corresponde. Este método es similar a la manera en la que los DMMs realizan medidas de resistencia de 4 cables para eliminar el efecto de la resistencia del conductor por las medidas de resistencia. La mayoría de las fuentes de alimentación, SMUs y DMMs tienen dos terminales adicionales en la salida para permitir esta técnica de detección remota de 4 cables y estas terminales adicionales son conectadas directamente al DUT, como se muestra en la Figura 4. Aunque aún existe resistencia del conductor en los cables usados para detección remota, las medidas de voltaje son de alta impedancia, por lo que no fluye corriente a través de los cables de detección y no se detecta caída de voltaje.

^{Figura 4. La detección remota es una técnica de conexión de 4 cables que puede eliminar los efectos de resistencia del conductor.}

Ondulación y ruido

Al considerar qué fuente de alimentación DC programable utilizar en su aplicación, es importante tener en cuenta ondulación y ruido de salida, que algunas veces se conoce como desviación periódica y aleatoria (PARD). El ruido verdadero es aleatorio y se propaga en todas las frecuencias cuando es visto en el dominio de la frecuencia, mientras que la ondulación es generalmente periódica. La ondulación se introduce por la rectificación de AC a DC requerida para convertir la potencia AC de la toma eléctrica a los niveles deseados de DC. Dependiendo del tipo de regulación utilizada por una fuente de alimentación, la ondulación tiene una o dos frecuencias fundamentales.

Las fuentes de alimentación DC generalmente utilizan regulación lineal o de conmutación para convertir la fuente de potencia AC de 50/60 Hz en una señal de potencia DC. Las fuentes de alimentación de regulación lineal usan un transformador AC a DC para convertir el voltaje lineal en una salida DC estable. Por lo tanto, la salida de voltaje de una fuente de alimentación lineal regulada, generalmente tiene una ondulación de baja frecuencia de 50/60 Hz además de cualquier otro ruido presente. Las fuentes de alimentación lineales reguladas, generalmente tienen baja ondulación y ruido, pero también tienen baja eficiencia, son de gran tamaño y producen más calor. Por otra parte, las fuentes de alimentación de conmutación convierten la corriente de 50/60 Hz a una frecuencia mucho más alta, lo que resulta en alguna ondulación periódica de alta frecuencia, además de la ondulación de baja frecuencia de 50/60 Hz. Las fuentes de alimentación de conmutación generalmente son más compactas, producen menos calor y son más eficientes, pero son muy susceptibles al ruido de alta frecuencia. La Figura 5 muestra una ilustración de una ondulación de alta frecuencia y ruido aleatorio.

^{Figura 5. En las fuentes de alimentación, el ruido generalmente es aleatorio y se propaga en todas las frecuencias, mientras que una ondulación es periódica.}

Además, las transmisiones de las fuentes de alimentación DC programables pueden ser afectadas por el ruido ambiental, que se suma a cualquier ruido inherente del sistema. Para reducir los efectos del ruido ambiental, es importante utilizar cables de par cruzado aislados cuando sea posible.

Tiempo de incremento y tiempo de asentamiento

El tiempo de incremento y el tiempo de asentamiento son indicadores clave de la habilidad de una fuente de alimentación para alcanzar el nivel de voltaje deseado y estabilizarse. Especialmente, el tiempo de incremento es la cantidad de tiempo requerido para que la salida cambie de 10% al 90% de la salida configurada. El tiempo de asentamiento describe la cantidad de tiempo que le lleva a un canal de salida estabilizarse dentro de un porcentaje especificado de su valor final, incluyendo el tiempo de incremento.

La Figura 6 ilustra el tiempo de incremento y el tiempo de asentamiento para una fuente de alimentación que cambia de 0 V a 10 V.

^{Figura 6. El tiempo de incremento y el tiempo de asentamiento son indicadores clave de la habilidad de una fuente de alimentación para alcanzar el nivel de voltaje deseado y estabilizarse.}

El tiempo de incremento y el tiempo de asentamiento son especificaciones importantes de la fuente de alimentación porque pueden afectar directamente el tiempo de medida, requiriendo más tiempo de espera para que el circuito se recupere de la transición antes de poder realizar la siguiente medida. El tiempo de medida es especialmente importante para situaciones como en sistemas de pruebas automatizadas, en las que reducir el tiempo de medida también se puede reducir su costo general.

Respuesta transitoria

Una respuesta transitoria generalmente describe la respuesta de un sistema ante un cambio de equilibrio. Para una fuente de alimentación DC, la respuesta transitoria describe cómo una fuente de alimentación que opera en modo de voltaje constante responde a un cambio repentino en la corriente de carga. Los cambios en la corriente de carga, como un pulso de corriente, puede causar grandes transitorios de voltaje como se muestra en la Figura 7. Conforme el circuito de control interno de la fuente de alimentación compensa el cambio en la corriente de carga, el voltaje se asienta de nuevo en el nivel deseado. La respuesta transitoria de una fuente de alimentación especifica el tiempo que le toma a los transitorios recuperarse dentro de un cierto porcentaje del parámetro de voltaje. Por lo general, la respuesta transitoria se especifica como la cantidad de tiempo requerido para recuperarse de un porcentaje del punto base de voltaje después de un cambio del 50% en la corriente de carga. Por ejemplo, un dispositivo puede ser capaz de recuperarse al 0.1% del punto base de voltaje original dentro de los 50 µs después de un cambio del 50% en la corriente de carga.

^{Figura 7. Respuesta transitoria a un pulso de corriente}

Considerando una aplicación, si la resistencia de su DUT desciende repentinamente provocando que se produzca un pulso de corriente, entonces se produce una caída de voltaje transitorio antes de que el circuito de control interno de la fuente de alimentación pueda compensar el cambio en la carga. Similar al tiempo de incremento y al tiempo de asentamiento, la especificación de la respuesta transitoria de una fuente de alimentación es importante porque puede tener impacto en el tiempo de medida. Para más información sobre respuesta transitoria y las consideraciones de carga, lea la nota técnica Consideraciones de regulación de línea y carga de fuente de alimentación y en cascada.

Aislamiento

El aislamiento es una manera de separar física y eléctricamente dos partes de una medida o dispositivo sourcing. El aislamiento eléctrico se refiere a eliminar las trayectorias a tierra entre dos sistemas eléctricos. Al proporcionar aislamiento eléctrico, usted puede romper los ciclos a tierra, aumentar el rango de modo común de la fuente de alimentación y nivelar la referencia a tierra a una sola tierra del sistema. Las especificaciones de aislamiento de la fuente de alimentación son particularmente importantes si usted está considerando escalonar las salidas de una fuente de alimentación para extender los rangos de voltaje y corriente, de lo cual se habla en mayor detalle en la nota técnica Consideraciones de Regulación de línea y carga de fuente de alimentación y en cascada.

La mayoría de la topología de aislamiento es aislamiento entre canales. En esta topología, cada canal es aislado individualmente, uno del otro y de otros componentes del sistema no aislados. Además, cada canal tiene su propia fuente de alimentación aislada.

NI ofrece fuentes de alimentación programables para sistemas de montaje en rack y PXI Express que pueden hacer todo de lo que hemos hablado en las secciones anteriores.

La fuente de alimentación programable PXI proporciona hasta 120 W de potencia en una sola ranura PXI, lo que ahorra un costoso espacio en rack dentro del sistema de pruebas. Las fuentes de alimentación completamente programables tienen relés de desconexión de salida para aislar el instrumento del DUT, detección remota para corregir pérdidas en el cableado del sistema y temporización y sincronización integradas a través de la plataforma PXI. 

Para requisitos de potencia de salida más altos, elija el dispositivo de fuente de alimentación programable de NI, que proporciona alimentación de DC programable en un tamaño de montaje en rack de ancho completo o 1/6. El dispositivo de fuente de alimentación programable es una fuente de alimentación de DC de un solo canal y montaje en rack. Ciertos modelos pueden generar cientos de watts en un diseño compacto que los hace ideales para sistemas de pruebas que necesitan múltiples rieles de alimentación.

• Usada comúnmente en aplicaciones de investigación, diseño, desarrollo y producción, una fuente de alimentación DC programable es un instrumento que puede suministrar potencia a un dispositivo conectado.
• Al realizar sourcing, la potencia es generada en el suministro y se disipa en el DUT. Al realizar sinking, la potencia se genera en el DUT y se disipa en la fuente de alimentación. 
• Las fuentes de alimentación DC operan en el cuadrante I o III. Los SMUs funcionan en los cuatro cuadrantes.
• Las fuentes de alimentación DC programables pueden operar ya sea en modo de voltaje constante o modo de corriente constante. 
• En modo de voltaje constante, una fuente de alimentación se comporta como una fuente de voltaje, manteniendo el voltaje en la constante de las terminales de salida mientras que la salida de corriente varía
• En modo de corriente constante, la fuente de alimentación se comporta como una fuente de corriente, manteniendo la corriente constante mientras que el voltaje de salida varía.
• Si una carga excede una resistencia compatible y pasa el límite de corriente o voltaje, entonces la fuente de alimentación comienza a operar de acuerdo a ello.
• La detección remota es una técnica de conexión de 4 cables que puede eliminar los efectos de resistencia del conductor.
• La ondulación es un tipo de ruido periódico que resulta de la rectificación de AC a DC requerida para convertir la potencia AC de la toma eléctrica a los niveles deseados de DC.
• El tiempo de incremento y el tiempo de asentamiento son indicadores clave de la habilidad de una fuente de alimentación para alcanzar el nivel de voltaje deseado y estabilizarse.
• La respuesta transitoria describe cómo una fuente de alimentación que opera en modo de voltaje constante responde a un cambio repentino en la corriente de carga.
• Al proporcionar aislamiento eléctrico, usted puede romper los ciclos a tierra, aumentar el rango de modo común de la fuente de alimentación y nivelar la referencia a tierra a una sola tierra del sistema.