- Las fuentes de alimentación transforman y regulan la energía eléctrica, y su calidad de diseño determina la estabilidad frente a rizado, ruido y picos transitorios.
- Existen múltiples tipos de fuentes (lineales, conmutadas, programables, especializadas y SAIs), cada una con ventajas y límites según la aplicación y el entorno.
- Medir correctamente rizado y respuesta a transitorios exige buenas técnicas de sondeo, condiciones de prueba controladas y equipos de medida adecuados.
- Los picos de tensión se mitigan combinando diseño correcto, supresores de sobretensión y mantenimiento preventivo, prolongando la vida útil de la electrónica.
Las fuentes de alimentación y los picos transitorios van de la mano mucho más de lo que solemos pensar. Casi cualquier equipo electrónico que tengas cerca depende de cómo se gestiona la energía eléctrica y de lo bien que se controlan esas pequeñas (o no tan pequeñas) perturbaciones que aparecen en la red o en la propia electrónica de potencia. Si no se tienen en cuenta, los fallos “misteriosos” y las averías prematuras están prácticamente garantizados.
En el día a día de la industria, las oficinas e incluso en casa, los problemas relacionados con rizado, ruido eléctrico, transitorios y picos de tensión se traducen en bloqueos de sistemas, pérdida de datos, reseteos aleatorios y componentes quemados. Entender cómo funciona una fuente de alimentación, qué tipos existen, cómo se miden esos fenómenos de forma correcta y qué soluciones de protección hay disponibles es clave para alargar la vida útil de cualquier instalación eléctrica y electrónica.
Qué es realmente una fuente de alimentación
Una fuente de alimentación es el bloque encargado de transformar la energía eléctrica que nos llega desde una toma de corriente, batería o red de distribución en la tensión, corriente y, si hace falta, frecuencia adecuadas para que un circuito o equipo funcione correctamente. Es, en la práctica, el corazón energético de cualquier sistema electrónico, desde un teléfono móvil hasta una línea de producción automatizada.
En una vivienda, en un hospital o en una planta industrial, cada equipo dispone de algún tipo de conversor de energía que pasa de la red de corriente alterna (CA) a niveles de corriente continua (CC) estables o a otros niveles de tensión de CA más bajos. De la calidad de ese proceso dependen la fiabilidad, la seguridad y la eficiencia global del sistema.
Conocer las principales categorías de fuentes de alimentación, sus pros y contras, así como su comportamiento frente a picos transitorios, rizado y ruido, permite elegir con criterio el modelo más adecuado para cada aplicación y evitar sorpresas desagradables a medio plazo.
Cómo funciona el proceso interno de una fuente de alimentación
El recorrido típico de la energía dentro de una fuente de alimentación que parte de la red eléctrica comienza con una entrada de tensión alterna en forma de onda sinusoidal. Esa tensión pasa a un transformador que la adapta a un nivel más bajo y utilizable, tanto por seguridad como por requerimientos de los circuitos posteriores.
Tras el transformador, la señal de CA reducida entra en un rectificador, normalmente un puente de diodos, que convierte la corriente alterna en una corriente continua pulsante. Esta forma de onda aún contiene muchas ondulaciones, por lo que se hace pasar a través de uno o varios condensadores de filtrado que suavizan el rizado y reducen las fluctuaciones.
Una vez filtrada, la tensión continua se aplica a un circuito regulador que se encarga de mantener la salida en un valor estable, incluso cuando la carga varía o la tensión de entrada sufre cambios dentro de los márgenes admitidos. En las fuentes lineales, esta regulación se hace con dispositivos que disipan el exceso de tensión en forma de calor, mientras que en las fuentes conmutadas se emplea electrónica de conmutación de alta frecuencia para lograrlo con mucha más eficiencia.
El resultado final es una tensión de salida de corriente continua lo más plana posible, con un rizado y un ruido dentro de los límites especificados y capaz de alimentar de manera segura todo tipo de equipos electrónicos, desde sensores delicados hasta grandes cargas industriales.
Principales tipos de fuentes de alimentación
Las fuentes de alimentación pueden agruparse, de forma general, en dos grandes familias: fuentes de CA y fuentes de CC. Dentro de cada grupo existen subtipos con características muy distintas, orientados a aplicaciones concretas donde importan más la estabilidad, la eficiencia, el coste o el tamaño.
Fuentes de alimentación de CA
Cuando hablamos de fuentes de CA nos referimos a equipos que toman la tensión de la red en alterna y la transforman en otros niveles de CA o CC. Son la base de la mayoría de aplicaciones domésticas e industriales, ya sea como simples transformadores o como complejos sistemas de alimentación ininterrumpida.
Fuente de alimentación de CA no regulada
Las fuentes de CA no reguladas son las más sencillas: suelen estar formadas por un transformador, un rectificador y un condensador. La tensión de salida depende directamente de la tensión de entrada y de la carga conectada, de modo que puede variar bastante.
Su gran baza es el bajo coste y una construcción muy simple, lo que las hace atractivas para aplicaciones donde no se requiere una regulación precisa de la tensión. A cambio, la salida presenta mayores variaciones, es más sensible a cambios de red y a cambios bruscos de carga, y genera más ruido eléctrico, lo que las vuelve poco adecuadas para equipos electrónicos delicados.
Son habituales en cargas poco críticas como ventiladores, pequeños calefactores o bombillas incandescentes, donde una variación moderada de tensión no supone un problema funcional ni de seguridad.
Fuente de alimentación de CA regulada
Una fuente de CA regulada incorpora circuitos adicionales que permiten ofrecer una salida estable y controlada, manteniendo la tensión dentro de unos márgenes muy estrechos a pesar de los cambios en la entrada o en la carga.
Este tipo de fuente reduce notablemente los picos, caídas de tensión y ruidos transitorios que podrían dañar o descalibrar equipos sensibles. La mejora de estabilidad se traduce en una mayor vida útil de los dispositivos conectados y una operación mucho más fiable.
Se emplean de forma masiva en instrumentación médica, equipos de laboratorio, sistemas de automatización industrial, accionamientos de motores y sistemas de seguridad, donde una alimentación inestable puede tener consecuencias importantes.
Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI / UPS)
Un SAI combina electrónica de potencia con baterías y sistemas de conmutación rápida para garantizar que la alimentación a una carga crítica no se interrumpe cuando se va la luz o cuando la red se degrada gravemente.
Además de mantener los sistemas en marcha durante cortes de energía, el SAI actúa como barrera frente a sobretensiones, picos y otros transitorios que llegan por la red. De este modo protege ordenadores, servidores, dispositivos médicos u otros equipos críticos frente a fallos repentinos y pérdidas de datos.
El peaje a pagar es un coste inicial más alto y la necesidad de mantenimiento periódico, especialmente en lo que respecta a las baterías, que tienen una vida útil limitada y deben revisarse y sustituirse cuando corresponde para asegurar un funcionamiento fiable.
Fuentes de alimentación de CC
Alimentación por batería
Sin embargo, la energía disponible es limitada y, una vez descargadas, deben recargarse o sustituirse. Con el paso del tiempo también se degradan, perdiendo capacidad y rendimiento, por lo que exigen cierto mantenimiento y vigilancia para asegurar su buen estado.
Se usan de forma intensiva en dispositivos portátiles (móviles, tablets, portátiles), sistemas de emergencia, iluminación de seguridad, comunicaciones y aplicaciones remotas donde no existe acceso continuo a la red.
Fuente de alimentación lineal
Las fuentes lineales se caracterizan por ofrecer una salida muy limpia, con poco ruido y un rizado muy bajo. El regulador lineal se encarga de mantener constante la tensión, disipando el exceso de potencia en forma de calor.
Esta forma de regular hace que sean menos eficientes energéticamente, sobre todo cuando la diferencia entre la tensión de entrada y la de salida es grande. Además, los disipadores necesarios las convierten en equipos más voluminosos y pesados, lo que puede ser un problema cuando el espacio es crítico.
Pese a ello, siguen siendo la primera elección cuando se necesita una alimentación extremadamente estable, como en equipos de audio de alta fidelidad, instrumentación de precisión y determinadas aplicaciones de laboratorio donde cualquier ruido puede afectar a la medida.
Fuente de alimentación conmutada (SMPS)
Las fuentes conmutadas emplean electrónica de potencia que trabaja a frecuencias elevadas para convertir CA en CC (o cambiar niveles de CC) con pérdidas muy reducidas. Esto permite diseñar equipos mucho más ligeros, compactos y eficientes que sus equivalentes lineales.
El lado menos amable es que los conmutadores de alta frecuencia pueden generar interferencias electromagnéticas (EMI) y ruido, por lo que suele ser necesario añadir filtros, apantallamientos y un buen diseño de PCB para mantener estos efectos bajo control.
Hoy en día son omnipresentes en electrónica de consumo (ordenadores, televisores, cargadores), automatización industrial, sistemas de control y centros de datos, donde la eficiencia energética y el tamaño compacto son fundamentales.
Topologías aisladas en fuentes conmutadas
En las topologías aisladas, la entrada y la salida se separan mediante un transformador de alta frecuencia, lo que aporta seguridad eléctrica y flexibilidad en la conversión de tensiones. Dentro de este grupo destacan varios tipos de convertidores.
Los convertidores flyback se usan en potencias bajas y medias, son sencillos, económicos y permiten obtener varias salidas a partir de un solo transformador. Los convertidores forward mejoran la eficiencia y el control en aplicaciones de potencia media. Para potencias más altas se emplean topologías push-pull, medio puente y puente completo, capaces de manejar corrientes mayores con buenas prestaciones.
En aplicaciones de gama alta y elevada exigencia se recurre a convertidores resonantes LLC, que ofrecen alta eficiencia y bajos niveles de EMI, y a convertidores de doble puente activo (DAB), especialmente indicados para sistemas de almacenamiento de energía y aplicaciones que requieren flujo de potencia bidireccional.
Topologías no aisladas
Las topologías no aisladas no incorporan transformador de aislamiento entre entrada y salida, lo que las hace más simples, compactas y eficientes para ciertas aplicaciones. Sus tres bloques más populares son los convertidores buck, boost y buck-boost.
El convertidor buck reduce la tensión de entrada a un nivel inferior manteniendo alta eficiencia, ideal para alimentar circuitos lógicos desde un bus de tensión más elevada. El convertidor boost hace justo lo contrario: eleva la tensión de entrada, algo muy útil en aplicaciones con baterías donde se requiere una tensión mayor que la nominal de la celda.
Por último, el convertidor buck-boost combina ambas funciones, pudiendo entregar una tensión de salida superior o inferior a la entrada según las necesidades, lo que otorga mucha flexibilidad en sistemas con variación de tensión de entrada, como baterías en descarga.
Fuentes de alimentación programables
Las fuentes programables permiten ajustar, a través de un panel frontal o de una interfaz remota, la tensión y la corriente de salida dentro de unos márgenes definidos. Son herramientas de trabajo clave en entornos de prueba y desarrollo.
Gracias a este control fino es posible simular diferentes condiciones de alimentación, automatizar secuencias de prueba y reproducir fallos de manera controlada. Eso sí, toda esta funcionalidad adicional implica un mayor coste y cierta complejidad de manejo.
Se utilizan sobre todo en laboratorios de I+D, líneas de producción automatizadas y entornos de creación de prototipos, donde la flexibilidad y la repetibilidad de las pruebas de alimentación son críticas.
Fuentes de alimentación especializadas
En algunos sectores se recurre a fuentes de alimentación diseñadas a medida para cumplir normativas estrictas y requisitos muy concretos. Hablamos, por ejemplo, de la electrónica médica o de sistemas aeroespaciales.
Estas fuentes suelen incluir medidas avanzadas de protección, aislamiento, redundancia y seguridad, lo que incrementa su precio y limita su uso a aplicaciones muy específicas. A cambio, garantizan una fiabilidad y un comportamiento frente a fallos muy por encima de los equipos estándar.
Son habituales en equipos médicos complejos (ecógrafos, analizadores de laboratorio, TAC) y en electrónica embarcada en aeronaves o sistemas de aviación, donde un fallo de alimentación puede tener consecuencias serias.
Criterios para elegir la fuente de alimentación adecuada
Seleccionar correctamente una fuente de alimentación pasa por valorar estabilidad, eficiencia, tamaño, coste, complejidad y entorno de uso. No merece la pena sobredimensionar ni complicar el diseño si la aplicación no lo pide, pero tampoco es buena idea abaratar a costa de la fiabilidad.
Las fuentes lineales ofrecen un ruido muy bajo y una regulación excelente, lo que las hace ideales cuando la limpieza de la señal es prioritaria. A cambio, consumen más, generan más calor y ocupan más espacio. Las fuentes conmutadas, en cambio, son campeonas en eficiencia y compacidad, pero requieren más atención al diseño de filtros y EMI.
Además de la tecnología, es necesario definir con precisión los niveles de tensión, la corriente máxima, la potencia total, las condiciones ambientales y las posibles expansiones futuras. Tampoco hay que olvidar el coste de ciclo de vida: eficiencia energética, mantenimiento preventivo, repuestos y tiempo de parada en caso de avería.
Por último, en aplicaciones críticas interesa contemplar elementos adicionales como SAI, fuentes redundantes, supresores de picos y dispositivos de protección que mitiguen los efectos de los transitorios y las perturbaciones de la red.
Rizado, ruido y respuesta a transitorios en fuentes de alimentación
Dos parámetros clave al evaluar una fuente de alimentación son el rizado (ripple) y la respuesta a transitorios. Medirlos bien no es tan trivial como parece: la técnica de medida y las condiciones de prueba influyen muchísimo en los resultados.
Técnica correcta de medida con sonda de osciloscopio
Las señales de rizado y de picos transitorios suelen estar en el orden de los milivoltios, así que cualquier ruido inducido por el propio montaje de medida puede arruinar la lectura. Uno de los factores más críticos es el área del bucle de tierra de la sonda, que introduce inductancia y capta interferencias externas.
Las tradicionales pinzas de cocodrilo de las sondas generan bucles de tierra grandes, poco recomendables para medir rizado y transitorios. Lo más efectivo es utilizar el método de “punta y barril”: se retira la funda de masa y la pinza, se expone directamente el cuerpo metálico de la sonda y se apoya el barril en la masa del circuito a escasos milímetros del punto de medida.
Como variante, se puede recurrir al método de “clip”, en el que se suelda o engancha un pequeño lazo de hilo en el barril de la sonda para disponer de una minipinza muy corta que mantenga el bucle lo más pequeño posible sin perder comodidad de conexión.
Medición de rizado y ruido
El rizado es la componente periódica de la salida debida a la conmutación interna de la fuente, mientras que el ruido corresponde a picos de alta frecuencia fruto de elementos parásitos y fenómenos de conmutación rápidos. En las hojas de datos se suele especificar el valor pico a pico máximo de rizado y ruido combinado.
Para conseguir mediciones comparables con las especificaciones del fabricante es imprescindible respetar las mismas condiciones de prueba: carga (normalmente a plena carga), tensión de entrada (probando todos los valores relevantes) y condensadores adicionales en la salida cuando así se indique (por ejemplo, un electrolítico de 10 μF en paralelo con un cerámico de 0,1 μF).
La sonda debe colocarse lo más cerca posible de los condensadores de salida y se suele limitar el ancho de banda del osciloscopio a 20 MHz para filtrar ruido de alta frecuencia que no sea relevante para la especificación. Con estas precauciones se obtienen valores de rizado y ruido que representan fielmente el comportamiento real de la fuente.
Respuesta a transitorios de carga
La respuesta a transitorios describe cómo varía la tensión de salida cuando la carga cambia bruscamente. En ese instante la fuente no es capaz de ajustar de inmediato su energía almacenada, de modo que son los condensadores de salida los que absorben o entregan la diferencia, generando una desviación temporal de la tensión.
Interesa conocer tanto la magnitud de esa desviación como el tiempo que tarda la tensión en volver a su valor nominal o a dentro de la banda de regulación especificada. Estos parámetros dependen de la pendiente de la variación de carga (slew rate) y de las corrientes inicial y final durante el salto.
Para medir esta respuesta con fiabilidad se necesitan al menos dos canales de osciloscopio: uno vigilando la tensión de salida (en el propio punto de regulación, no al final de un cable largo) y otro monitorizando la corriente o una señal que indique con precisión el momento en que la carga cambia. Así se puede correlacionar el evento de carga con el comportamiento de la tensión.
Picos de tensión y transitorios: qué son y por qué son peligrosos
Un pico de tensión, también llamado transitorio, es una perturbación de corta duración en una o varias fases de la red eléctrica o en un sistema de alimentación. La forma de onda concreta del transitorio depende del mecanismo que lo genera y puede ir desde un impulso muy estrecho a oscilaciones más complejas.
En las líneas de distribución son frecuentes los transitorios debidos a maniobras de conmutación, disparos de interruptores, conexión y desconexión de bancos de condensadores, arranque de grandes cargas inductivas y descargas atmosféricas. Todos estos eventos provocan subidas bruscas de tensión que pueden viajar por la red hasta los equipos finales.
Los efectos sobre los equipos electrónicos pueden ir desde un envejecimiento acelerado de componentes hasta la destrucción inmediata de semiconductores, fuentes de alimentación y circuitos de control. Una parte de estos daños se manifiesta como fallos repentinos sin causa aparente, pérdida o corrupción de datos y comportamientos erráticos.
En instalaciones con exposición a rayos, las sobretensiones atmosféricas pueden causar daños graves incluso en dispositivos situados a cierta distancia del punto de impacto, ya que las ondas de tensión se propagan por la red y por líneas de datos mal protegidas.
Caso práctico: transitorios al conmutar entre batería y adaptador de red
Un ejemplo típico de problema con transitorios aparece cuando se conecta un convertidor DC-DC a dos fuentes distintas, por ejemplo una batería y un adaptador de red AC-DC, que están eléctricamente aisladas entre sí. La forma de conmutar entre ambas puede marcar la diferencia entre un sistema fiable y un generador de averías.
En un diseño donde se utiliza un relé SPDT, la batería se conecta al contacto normalmente cerrado (NC) y el adaptador de red al normalmente abierto (NO). El relé se alimenta desde el propio adaptador, de forma que cuando se conecta a la red la alimentación del convertidor pasa de la batería al adaptador, y cuando se desconecta, el relé cae de nuevo sobre la batería.
Si esta conmutación no está bien controlada, es fácil que el convertidor DC-DC genere picos transitorios y perturbaciones que lleguen a los equipos sensibles conectados a su salida. El tiempo de conmutación del relé, los posibles rebotes de contacto e incluso la existencia de lazos de masa pueden contribuir a que aparezcan sobretensiones o caídas muy rápidas.
En cierto diseño previo, la batería y el adaptador compartían la entrada al convertidor DC-DC a través de diodos OR-ing, lo que garantizaba una transición más suave a costa de perder eficiencia y generar calor en los diodos. Cuando se sustituyó esta solución por el relé, el calor dejó de ser un problema, pero comenzaron a fallar varios dispositivos conectados a la salida del convertidor.
Situaciones como esta muestran la importancia de analizar los transitorios que se producen durante los cambios de alimentación, algo que muchas veces requiere de osciloscopios y sondas adecuadas para detectar picos muy breves pero de gran amplitud.
Protección frente a picos de tensión: supresores y buenas prácticas
Para reducir el impacto de los picos de tensión es habitual recurrir a supresores de sobretensiones o supresores de picos. Estos dispositivos desvían a tierra, o entre conductores, la energía asociada al transitorio, limitando así la tensión que llega a los equipos que queremos proteger.
Estos sistemas se instalan en todo tipo de entornos: industria alimentaria, farmacéutica, metal-mecánica, hospitales, telecomunicaciones, oficinas y viviendas. Allí donde haya electrónica sensible, merece la pena estudiar su incorporación para alargar la vida útil de los equipos y reducir costes de reparación.
Al seleccionar un supresor hay que tener en cuenta varios parámetros clave: el voltaje nominal del sistema (110, 120, 127 V, etc.), la configuración eléctrica (monofásica, bifásica o trifásica) y el voltaje máximo de operación (MCOV), que es el nivel a partir del cual el varistor u otro componente de protección comienza a conducir.
También son importantes la corriente nominal que el equipo puede derivar durante un número de ciclos definido, la corriente máxima de protección y los modos de protección disponibles (por ejemplo, fase-neutro, fase-tierra, neutro-tierra), que dependen de la configuración de la red.
Complementar estos dispositivos con un plan de mantenimiento preventivo, revisando periódicamente conexiones, tierras, estado de los supresores y comportamiento de las fuentes de alimentación, ayuda a minimizar averías inesperadas y a asegurar que la instalación se mantiene dentro de los márgenes de diseño.
Pruebas y fiabilidad en fuentes de alimentación
Antes de llegar al mercado, las fuentes de alimentación se someten a una batería de pruebas de regulación de carga, regulación de línea, rizado, estabilidad térmica y respuesta transitoria. Además, los fabricantes aplican ensayos de estrés en diferentes condiciones ambientales para verificar que la electrónica resiste vibraciones, temperaturas extremas y humedad.
En muchos casos también se evalúa la compatibilidad electromagnética (EMC), tanto en emisión como en inmunidad, y se ajustan los filtros de entrada y salida para cumplir las normas vigentes. Todo este proceso tiene como objetivo garantizar que, en condiciones normales de uso, la fuente se comporte de forma predecible y segura.
Las tendencias actuales apuntan hacia fuentes de alimentación cada vez más compactas, eficientes e inteligentes, con capacidad de monitorización, funciones programables y conectividad, pensadas para integrarse en entornos IoT y sistemas de gestión energética avanzados. Al mismo tiempo, se incrementa la integración con energías renovables como la solar y se emplean nuevos materiales y topologías para reducir las pérdidas y las interferencias.
Todo este ecosistema de tecnologías, pruebas y elementos de protección convergen en un objetivo común: mantener los equipos funcionando de forma fiable y segura, minimizando el impacto de los picos transitorios y del ruido eléctrico que acompañan inevitablemente a cualquier sistema de alimentación moderno.
