Introducción a las Fuentes de Poder
¿Qué es una fuente de poder de DC?
Las fuentes de poder de corriente directa (DC) son el resultado de la necesidad de tener voltajes de DC, generalmente para operar equipo electrónico. La mayoría de los equipos electrónicos funcionan con DC y requieren que este voltaje sea muy estable, sin importar las variaciones de la corriente de carga o del voltaje de entrada. Esta exigencia creó la necesidad de una segunda etapa en la fuente de poder de DC, llamada regulador de voltaje.
La energía disponible en la red eléctrica es de corriente alterna (AC): 120–127 V a 60 Hz en Norteamérica y 220–240 V a 50 Hz en gran parte del mundo. Una fuente de poder de DC convierte esa energía en uno o varios voltajes de DC estables mediante una cadena de bloques, cada uno con una función específica (figura 1).
| Bloque | Función | Salida |
|---|---|---|
| Transformador | Reduce (o eleva) el voltaje de la red y proporciona aislamiento galvánico entre la red y el circuito. | AC de menor amplitud |
| Rectificador | Convierte la AC en una señal de una sola polaridad mediante diodos. | DC pulsante |
| Filtro | Almacena energía (normalmente en un capacitor) para suavizar la señal pulsante. | DC con rizado |
| Regulador | Mantiene el voltaje de salida constante ante cambios de la entrada y de la carga. | DC estable |
Niveles de voltaje y uso del transformador
Debido a que los voltajes que requiere el equipo electrónico moderno son usualmente bajos (3.3, 5, 12, 15, 24 y 48 VDC, entre otros, e incluso menores de 1 V en los núcleos de los procesadores), en una fuente lineal es necesario utilizar un transformador para bajar el voltaje de AC a un nivel adecuado antes de rectificarlo. Así el filtrado es el correcto para la carga y se maximiza la eficiencia, porque el regulador sólo tiene que absorber una pequeña diferencia de voltaje.
El transformador cumple además una función de seguridad: aísla galvánicamente la salida de la red eléctrica, de modo que un usuario que toca la salida no queda conectado a la línea.
Si el voltaje de salida es alto, o si se utiliza un regulador por conmutación, se rectifica directamente el voltaje de la línea de AC. En ese caso se habla de una fuente fuera de línea (off-line). El aislamiento lo proporciona entonces un transformador que trabaja a alta frecuencia (de decenas de kHz a algunos MHz) y que, por esa razón, es mucho más pequeño y ligero que uno de 50/60 Hz (figura 2).
Rectificación de onda completa
La figura 3 muestra dos fuentes de DC no reguladas: un rectificador de onda completa con dos diodos y un rectificador de onda completa con puente de diodos.
En el rectificador con derivación central (figura 3a), cada mitad del secundario alimenta a un diodo: CR1 conduce durante el semiciclo positivo y CR2 durante el negativo. En el puente de diodos (figura 3b), dos diodos conducen en cada semiciclo y el secundario completo se aprovecha en ambos. En los dos casos la corriente circula por la carga siempre en el mismo sentido, y la señal rectificada tiene una frecuencia igual al doble de la de la red (120 Hz para una red de 60 Hz).
El voltaje pico a la salida del rectificador es el pico del secundario menos las caídas de los diodos que conducen:
donde n es el número de diodos en el camino de la corriente (1 en derivación central, tomando Vsec(rms) como el voltaje de cada mitad del secundario; 2 en el puente) y VD es la caída de cada diodo (0.7 a 1 V para diodos de silicio).
| Característica | Derivación central (2 diodos) | Puente (4 diodos) |
|---|---|---|
| Voltaje pico inverso por diodo (PIV) | 2 · Vm | Vm |
| Diodos en el camino de la corriente | 1 (≈ 0.7–1 V de caída) | 2 (≈ 1.4–2 V de caída) |
| Transformador | Secundario con derivación central (el doble de vueltas) | Secundario simple |
| Uso típico | Salidas de bajo voltaje y alta corriente | Uso general; rectificación directa de la línea |
Vm: voltaje pico de cada mitad del secundario (derivación central) o del secundario completo (puente).
Existe también el rectificador de media onda (un solo diodo), pero casi no se usa en fuentes de poder: su rizado tiene la frecuencia de la red (60 Hz), lo que exige un capacitor del doble de valor, y la corriente de DC que circula por el secundario tiende a saturar el núcleo del transformador.
Filtro capacitivo y rizado
La señal rectificada es pulsante y no sirve para alimentar un circuito electrónico. Para suavizarla se coloca un capacitor de filtro (C1 en la figura 3): el capacitor se carga cerca del pico de cada semiciclo y, entre picos, entrega la corriente a la carga mientras se descarga.
La fuente de la figura 3 no mantiene el voltaje de salida constante, porque el voltaje del capacitor depende de la corriente de carga y del voltaje de entrada. Un aumento en la corriente de carga hace que aumente el rizado (ripple) de AC que resulta de la rectificación (figura 4): al aumentar la corriente de salida el capacitor se descarga más entre picos y, por lo tanto, baja el voltaje promedio.
Si se supone que el capacitor se descarga a corriente casi constante Io durante prácticamente todo el semiciclo, el rizado pico a pico y los valores principales se calculan con:
El rizado es directamente proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la capacitancia y a la frecuencia del rizado. Por eso el rectificador de onda completa (fr = 120 Hz) necesita la mitad de capacitancia que el de media onda para el mismo rizado.
Ejemplo · Rectificador en puente con filtro capacitivo
Un transformador de 12 Vrms alimenta un puente de diodos (VD = 0.9 V) conectado a una red de 60 Hz. El capacitor de filtro es de 4 700 µF y la carga demanda 1 A. Calcular Vpico, el rizado, el valle y VDC.
Ahora se repite el cálculo para distintas corrientes de carga y para una variación de ±10 % en el voltaje de la red (el secundario varía en la misma proporción: 10.8 a 13.2 Vrms):
| Io | Red 108 V (−10 %) | Red 120 V (nominal) | Red 132 V (+10 %) |
|---|---|---|---|
| 0 A (vacío) | 13.47 V | 15.17 V | 16.87 V |
| 0.5 A | 13.03 V | 14.73 V | 16.42 V |
| 1 A | 12.59 V | 14.28 V | 15.98 V |
| 2 A | 11.70 V | 13.40 V | 15.09 V |
Valores de VDC calculados con las ecuaciones 1 a 4.
Conclusión: el voltaje de DC de esta fuente no regulada varía entre 11.7 y 16.9 V según la carga y la línea, y en el peor caso (2 A con la red baja) el valle del rizado llega a 9.9 V. Ningún circuito que necesite, por ejemplo, 12 V estables puede alimentarse directamente de ella; ésta es precisamente la tarea del regulador.
La figura 5 muestra el comportamiento del circuito del ejemplo obtenido por simulación. Se incluyó una resistencia de 0.25 Ω que representa los devanados del transformador y el cableado.
La simulación confirma el comportamiento descrito y deja ver tres detalles que las ecuaciones simplificadas no muestran:
- Los diodos sólo conducen cerca del pico. En este ejemplo conducen alrededor del 27 % del tiempo y la corriente forma pulsos de unos 5.7 A, es decir, más de cinco veces la corriente de carga. Los diodos, el capacitor (por su corriente de rizado admisible) y el transformador (por su corriente RMS) deben dimensionarse para estos pulsos, no para el valor promedio.
- El voltaje real es menor que el ideal. La resistencia del transformador reduce el pico de 15.2 a 14.3 V; en un transformador real este efecto se suma a la caída de su voltaje con la carga.
- La ecuación 2 es conservadora. El capacitor se recarga antes de que termine el semiciclo, así que el rizado simulado (1.3 V) es menor que el calculado (1.77 V). Para diseñar, el valor calculado deja un margen de seguridad.
El regulador como bloque funcional
Un regulador de voltaje, visto como un bloque con una entrada y una o varias salidas (figura 7), es un dispositivo al que no le afectan las variaciones de su voltaje de entrada (dentro de cierto rango) ni las variaciones de la corriente de salida: mantiene el voltaje de salida constante. En este caso, “constante” quiere decir “dentro de unos límites controlados”.
Para obtener un voltaje de salida estable es necesario tener un elemento intermedio entre el rectificador con filtro de la figura 3 y la carga. Para esto se conecta la salida de la fuente de la figura 3 a la entrada del regulador de la figura 7. El regulador debe recibir siempre un voltaje mayor que el de salida, incluso en el valle del rizado y con la línea baja; esa diferencia mínima depende del tipo de regulador y se estudiará en los temas siguientes.
¿Cómo se mide si una fuente regula bien?
Los límites dentro de los cuales la salida se considera “constante” se expresan con unas cuantas especificaciones. Las dos más importantes son:
Aplicadas a la fuente no regulada del ejemplo, la regulación de carga entre 0 y 1 A es (15.17 − 14.28) / 14.28 = 6.2 %, y la regulación de línea a 1 A, para una red de ±10 %, es (15.98 − 12.59) / 12.59 = 27 %. Una fuente bien regulada logra menos de 1 % y menos de 0.1 %, respectivamente.
| Especificación | Qué indica | Valor típico en una fuente regulada |
|---|---|---|
| Regulación de carga | Cambio de la salida entre vacío y plena carga | < 1 % |
| Regulación de línea | Cambio de la salida en todo el rango de la entrada | ≤ 0.1 % |
| Rizado y ruido | Componente de AC que queda en la salida (mV pico a pico) | < 1 % de Vo |
| Eficiencia (η) | Potencia de salida entre potencia de entrada | Lineal 30–60 %; conmutada 75–95 % |
| Respuesta transitoria | Desviación y tiempo de recuperación ante un cambio brusco de carga | Según la aplicación |
Tipos de reguladores
El bloque de la figura 7 se puede implementar de varias maneras. Hay tres tipos de reguladores, que en los temas siguientes se describen en el orden en que se han usado históricamente:
- Regulador lineal. Un transistor que trabaja en su región activa se comporta como una resistencia variable en serie con la carga, controlada por un lazo de retroalimentación. Es el más sencillo, el más antiguo y el de menor ruido, pero también el menos eficiente: toda la diferencia entre la entrada y la salida se convierte en calor. Hasta que aparecieron los transistores de alta corriente y bajo voltaje de saturación, era prácticamente la única forma de regular voltaje hasta unos 100 W.
- Regulador por conmutación. Un interruptor (transistor en corte o saturación) y un filtro LC sustituyen al elemento disipativo; el voltaje de salida se controla variando el tiempo de encendido del interruptor (modulación de ancho de pulso, PWM). Es mucho más eficiente y compacto, a cambio de mayor complejidad y de generar interferencia electromagnética (EMI).
- Regulador resonante. Es una variante del regulador por conmutación en la que un circuito tanque LC hace que el interruptor conmute cuando el voltaje o la corriente pasan por cero (ZVS o ZCS). Así se reducen las pérdidas de conmutación y la EMI, lo que permite frecuencias más altas y eficiencias muy elevadas.
| Lineal | Por conmutación | Resonante | |
|---|---|---|---|
| Elemento de control | Transistor en región activa | Interruptor en corte/saturación con PWM | Interruptor con tanque LC (ZVS/ZCS) |
| Eficiencia típica | 30–60 % | 75–95 % | 90–97 % |
| Ruido y EMI | Muy bajos | Mayores | Menores que en la conmutada convencional |
| Tamaño y peso | Grandes (transformador de 50/60 Hz y disipador) | Pequeños | Muy pequeños |
| Complejidad | Baja | Media a alta | Alta |
| Aplicaciones | Audio, instrumentación, referencias, baja potencia | Computadoras, cargadores, telecomunicaciones, industria | Fuentes de servidores, cargadores rápidos, balastros electrónicos |
Resumen
- Una fuente de poder de DC convierte la AC de la red en DC estable mediante transformador, rectificador, filtro y regulador.
- En las fuentes lineales el transformador reduce el voltaje y aísla la salida; las fuentes conmutadas rectifican la línea directamente y aíslan con un transformador de alta frecuencia.
- El rectificador de onda completa (derivación central o puente) entrega una señal pulsante de 120 Hz; el capacitor de filtro la suaviza, pero queda un rizado proporcional a la corriente de carga.
- El voltaje de una fuente no regulada cambia con la carga y con la línea (6.2 % y 27 % en el ejemplo); el regulador lo mantiene constante dentro de límites controlados.
- Hay tres tipos de reguladores: lineal, por conmutación y resonante.
Referencias
- Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 1.
- Malvino, A. P. Principios de Electrónica, 6.ª ed. McGraw-Hill, 2000. Cap. 4 (circuitos con diodos: rectificadores y filtros) y cap. 24 (fuentes de alimentación reguladas).
- Boylestad, R. L., y Nashelsky, L. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 10.ª ed. Pearson, 2009. Cap. 2 (aplicaciones del diodo) y cap. 15 (fuentes de alimentación).
- Mohan, N., Undeland, T. M., y Robbins, W. P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3.ª ed. Wiley, 2003. Cap. 5 (rectificadores de línea con diodos).
- Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 1.
Figuras 3, 4 y 7: originales del autor (2004), redibujadas en alta resolución conservando su diseño. Figuras 1, 2, 5 y 6: elaboradas para esta edición; las formas de onda de las figuras 5 y 6 provienen de una simulación numérica del circuito del ejemplo.
Contenido original de David Topete Samaniego (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).