1. Sistema de suministro de energía

eléctrica

Cuando enciendes una luz en tu casa, estás utilizando el sistema eléctrico. Una central

eléctrica genera electricidad. La corriente eléctrica viaja por cables hasta tu casa. El

interruptor de luz lleva la electricidad hasta la bombilla.

Usamos electricidad de CA (corriente alterna) en nuestros hogares y negocios. En

realidad, los electrones no fluyen a lo largo de los alambres. Vibran hacia delante y

atrás muy rápidamente (¡60 veces por segundo!). Cuando conectas un artefacto, el

tomacorriente suministra energía para mover los electrones que ya están en el

cableado del artefacto.

El voltaje es una medida de electricidad. Si piensas en un circuito eléctrico como si

fuera agua en las tuberías, el voltaje sería como la presión del agua. A veces,

utilizamos electricidad de diferente voltaje para un propósito especial. Los altos voltajes

son buenos para cuando la electricidad viajará una larga distancia. Perdemos menos

energía durante el viaje si utilizamos altos voltajes. Los voltajes más bajos son mejores

para el uso en nuestros hogares. La electricidad de bajo voltaje es más segura.

Cuando la electricidad sale de una central eléctrica, utilizamos un dispositivo llamado

un transformador para aumentar o "intensificar" el voltaje. Entonces la electricidad de

alto voltaje (¡más de 100 000 voltios!) está lista para el largo viaje a través de líneas

eléctricas hasta tu vecindad. Cerca de tu casa, se utilizan más transformadores para

cambiar el voltaje nuevamente. Esta vez, los transformadores disminuyen o

"descienden" ; el voltaje a un nivel más seguro. En nuestros hogares utilizamos

electricidad de 110 voltios. .

El clima espacial puede dañar al m sistema eléctrico mediante el daño a

transformadores. Las tormentas de clima espacial pueden hacer que corriente eléctrica

directa (CD) fluya por los cables. Los transformadores se hacen para trabajar con

corriente alterna. La corriente directa hace que los transformadores se recalienten e

inclusive lleguen a incendiarse.

Alimentación lineal

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.

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.

Perturbaciones

Las características ideales (amplitud, forma, frecuencia y simetría) de la onda de

Tensión producida por las centrales generadoras pueden verse alteradas por diversas

causas. Estas desviaciones de alguno de los parámetros de la onda sinusoidal ideal se

conocen como perturbaciones.

Las perturbaciones pueden ser generadas por varias causas, una de las cuales es la

conexión a la red de energía eléctrica de ciertos tipos de cargas (cargas perturbadoras)

de posible utilización por los clientes de la empresa.

En pasos futuros UTE considerará aplicar penalizaciones en aquellos casos en que los

niveles de emisión de perturbaciones de un cliente se entiendan inadmisibles para la

empresa o para otros clientes. Estos límites se encuentran en la Norma de

Perturbaciones-UTE y Criterios de Aceptación de Clientes Perturbadores-UTE.

2. Tipos de Perturbaciones

Las principales perturbaciones son:

· Huecos de Tensión

· Sobretensión temporaria

· Sobretensión transitoria

· Subtensión

· Fluctuaciones de Tensión (Flicker)

· Armónicos

· Desequilibrios de tensión

2.1. Huecos de tensión

Un hueco de tensión es una súbita reducción de la tensión de alimentación a un valor

entre un 90% y un 1% de la tensión nominal Un, seguida de una recuperación luego

de un período corto de tiempo. Convencionalmente la

duración de un hueco de tensión es entre 10 ms y 1 minuto. La profundidad de un

hueco de tensión se define como la diferencia entre el valor RMS mínimo durante

el hueco y la tensión nominal. Cambios de tensión que no reducen la tensión de

alimentación a menos del 90 % de la tensión nominal Un no se consideran como

huecos.

Sobretensión temporaria

Una sobretensión temporaria es una sobretensión, en algún punto, de

relativamente larga duración, a la frecuencia es de 50 Hz.

Nota: Sobretensiones temporarias usualmente se originan por cierre o apertura

de interruptores, o fallas ( por ejemplo, reducción súbita de carga, fallas asimétrica

o conexión de carga no líneales)

.Sobretensión transitoria

Es una sobretensión de corta duración, oscilatoria o no, usualmente altamente

amortiguada, y con una duración de algunos milisegundos.

Nota: Sobretensiones transitorias son causadas usualmente por rayos,

conmutación u operación de fusibles. El tiempo de establecimiento de una

sobretensión transitoria puede variar desde menos de un microsegundo hasta

algunos milisegundos.

Subtensión

Es un descenso del valor eficaz de la tensión por debajo del valor especificado en la

Norma de Niveles de Tensión de UTE.

2

.Flicker

Las fluctuaciones de tensión pueden causar cambios de luminancia de lámparas

incandescentes, las cuales pueden crear el fenómeno visual llamado flicker

(parpadeo). Por encima de cierto umbral el flicker se vuelve perceptible. Dicha

percepción crece muy rápidamente con la amplitud de la fluctuación. A ciertas

frecuencias del fenómeno aún muy pequeñas amplitudes pueden ser percibidas.

Armónicos de Tensión.

Es una tensión sinusoidal de frecuencia igual a un múltiplo entero de la frecuencia

fundamental (50 Hz) de la tensión de suministro.

Las tensiones armónicas pueden ser evaluadas:

· Individualmente, por su amplitud relativa, uh, relacionada a la tensión de

la componente fundamental U1, donde h es el orden del armónico.

Globalmente, por ejemplo mediante el cálculo de la distorsión armónica total,

mediante la siguiente expresión:

THD =

40

∑ uh

h = 1

THD : Tasa de distorsión armónica total.

Nota: Los armónicos de la tensión de suministro son causados principalmente por cargas

no lineales pertenecientes a los clientes, conectadas a cualquier nivel de tensión.

Armónicos de Corriente

Es una corriente sinusoidal de frecuencia igual a un múltiplo entero de la

frecuencia fundamental (50 Hz). Armónicos de corriente que fluyen a través de la

impedancia del sistema dan lugar a armónicos de tensión. Los armónicos de

corriente y las impedancias del sistema, y en consecuencia los armónicos de

tensión en los terminales de suministro son variables en el tiempo.

Desequilibrios de tensión.

En un sistema trifásico, es una condición en la cual los valores eficaces de las

tensiones de fase o los ángulos entre fases consecutivas no son iguales.

Cargas Perturbadoras

Pueden ser cargas perturbadoras:

· Grandes cargas con elevada frecuencia de conexión y desconexión.

· Hornos de arco y de punto.

· Soldadura por arco eléctrico.

· Grandes motores de cargas variables.

· Molinos de trituración.

· Conmutación frecuente de los escalones de compensación de potencia

reactiva.

· Equipos de electrónica de potencia:

- Rectificadores controlados

- Variadores de frecuencia

- Convertidores en general

· Reguladores electrónicos de cargas.

· Equipos ferromagneticos saturados.

4. Procedimiento de la Solicitud de Suministro

Si en la solicitud de suministro a realizar se encuentra una o varias de estas

cargas (equipos), el instalador deberá proporcionar a UTE la información técnica

completa de este equipo, como se solicita en el Capitulo XXIV, punto 9.4. del

Reglamento de Baja Tensión. Esta solicitud de suministro quedará a estudio de

los Servicios Técnicos de

UTE, quién determinará si los niveles de perturbación son aceptables para ese

punto de sus redes; o si, por el contrario deben tomarse acciones correctivas

sobre el o los emisores de perturbaciones.

5. Equipos Sensibles

De forma general entre los equipos especialmente sensibles a las

perturbaciones eléctricas conducidas de cualquier tipo se encuentran:

· Dispositivos electrónicos de potencia: convertidores de frecuencia,

rectificadores para motores de continua.

· Circuitos electrónicos de control.

· Circuitos de medida eléctricos o electrónicos.

· Protecciones.

· Circuitos de mando y control, que tengan relés o contactores.

· Sensores.

· Lámparas de descarga.

· Equipamiento informático.

Además las perturbaciones que llevan asociado un incremento de la corriente o un

aumento del valor de la tensión, provocan calentamientos que redundan

en una reducción de la vida útil de otros equipos más robustos como:

· Transformadores y máquinas giratorias.

· Lámparas incandescentes.

· Baterías de condensadores.

· Fuentes de alimentación a circuitos de control.

Acciones Preventivas y Correctivas.

La propuesta de medidas de atenuación y corrección de los efectos de las

perturbaciones

se aborda mediante una doble perspectiva: Recomendaciones Generales y

Actuaciones

Concretas sobre la instalación del cliente.

Acciones Preventivas

Recomendaciones Generales.

La implantación de medidas de prevención y corrección de los efectos de las

perturbaciones debe alcanzar las diferentes actividades del diseño, instalación y

operación de las instalaciones.

Diseño e instalación

· Alimentación eléctrica separada de los circuitos de control y los circuitosde

potencia.

· Alimentación a los circuitos de control con fuentes de muy alta calidad:

- Corriente Continua con condensadores o baterías tampón.

- Corriente Alterna a través de sistemas de alimentación ininterrumpida.

- Corriente Alterna a través de motor eléctrico-generador con volante de inercia.

· Especial atención a los circuitos de tierra, garantizando el valor adecuado de

resistencia, tanto en Media como en Baja Tensión.

· Las líneas de circuitos de mando y control deberán apantallarse

suficientemente y conectarse debidamente al circuito de tierra.

La existencia de corrientes armónicas y picos de corriente de arranque

deberán ser consideradas a efectos de caídas de tensión y dimensionado de

conductores, transformadores, etc.

· El conductor de neutro deberá estar especialmente dimensionado en caso de

consumos desequilibrados o cuando exista circulación de armónicos de frecuencia

múltiplo de tres.

· Los relés de protección deben ser adecuadamente seleccionados y tratados

para no provocar actuaciones intempestivas.

Adecuación en las instalaciones del cliente para evitar la producción y

transmisión de perturbaciones

De las posibles recomendaciones orientadas a evitar la producción

de estos efectos, se anuncian las siguientes:

· Instalación de arrancadores suaves o escalonados.

· Correcto diseño y ejecución cuidadosa de las instalaciones.

· Evitar las coincidencias de los picos de corriente a consumir.

· Utilización de compensadores estáticos que mediante interruptores

electrónicos y reactancias compensen las fuertes oscilaciones de corrientes

en las cargas.

· Regulación correcta de protecciones internas de la instalación.

· Suprimir o reducir el consumo de corrientes armónicas por parte de los

receptores, con un cuidadoso diseño de los circuitos electrónicos de potencia.

Evitar el funcionamiento en la zona de saturación de las máquinas que utilicen

núcleos ferro magnéticos.

· Inserción de filtros anti armónicos en la alimentación a los circuitos

generadores de armónicos.

A efectos de evitar la posible transmisión de perturbaciones que serefiere

básicamente al caso de los impulsos (sobretensión transitoria) y de los armónicos,

en ese sentido se propone:

· Instalación de pararrayos (según Norma IEC 1024).

· Alimentación eléctrica independiente de los receptores generadores de

armónicos.

· Instalación de filtros anti armónicos, sintonizados a las frecuencias

apropiadas, en lugar de baterías de condensadores simples.