Cuando estamos dentro del coche, el ruido del motor que escuchamos es normal. Al fin y al cabo, dentro del compartimento del motor se encuentra una máquina que mueve sus piezas. Es posible que algunos de nosotros incluso encontremos agradable ese ruido. De hecho, los fabricantes de coches y otros productos tienen departamentos de investigación enteros dedicados a experimentar y crear experiencias de sonido placenteras.
Sin embargo, la situación de las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) es diferente. Los ruidos similares a un zumbido o un chirrido se pueden incluso interpretar como una señal de alarma. Aunque las fuentes de alimentación están construidas con un gran número de componentes electrónicos, ninguna pieza debería moverse cuando están operando. Por lo tanto, no debería haber ningún ruido, ¿no es cierto?
La causa más común de un ruido molesto proveniente de una fuente de alimentación AC normalmente deriva en una frecuencia baja de un zumbido de 100 o 120 Hz. Además, como las fuentes de alimentación han avanzado en lo que respecta a su complejidad y estructura, el rango de ondas sonoras que emiten también ha cambiado. Aun así, la mayoría de los sonidos perceptibles no debería ser un motivo de preocupación.
Percepción y efecto
Los humanos podemos escuchar ondas sonoras en un rango de frecuencia de 16 Hz a aproximadamente 20 kHz (imagen 1). Pero el hecho de si un sonido nos distrae o irrita depende también de la percepción de dicho sonido en el entorno donde se genera.
Imagen 1: Rango de frecuencia perceptible del oído humano
Una unidad industrial de fuente de alimentación que genera un ruido perceptible probablemente no constituya un problema real para las personas, ya que la mayoría de las personas experimentan ese ruido dentro del contexto de otros ruidos de fondo como algo normal del trabajo en una fábrica. Otros sonidos, debido a su frecuencia y volumen, también pueden enmascarar las frecuencias generadas por una fuente de alimentación, un efecto estudiado en la psicoacústica y utilizado para comprimir audios en MP3. Estas fuentes de alimentación suelen integrarse en paneles de control con puertas cerradas que ayudan a amortiguar cualquier ruido perceptible que se pueda generar.
En un entorno diferente, como por ejemplo una oficina, la reacción ante el ruido de una fuente de alimentación será muy diferente. El chirrido o el zumbido de un dispositivo eléctrico probablemente se percibirá como desagradable e incluso puede provocar dudas acerca de su seguridad.
Causa y origen
Los campos magnéticos
Imagen 2: Regla de la mano derecha/izquierda
Si un conductor que transporta corriente eléctrica se encuentra en un campo magnético, normalmente está sujeto a una fuerza. El efecto de esta fuerza es mayor cuando la corriente y las direcciones del campo magnético forman un ángulo de 90º. En tales casos, la fuerza de impacto es perpendicular al flujo de la corriente y la dirección del campo magnético. Se pueden utilizar tres dedos de la mano derecha para determinar la dirección de esta fuerza si utilizamos la regla de la mano derecha de Fleming (imagen 2)
En el contexto de los transformadores y algunos inductores, un núcleo de hierro también puede verse afectado por un efecto conocido como magnetostricción, un efecto que fue identificado por primera vez por James Joule en 1842. Provoca que los materiales ferromagnéticos cambien de forma o dimensión durante el proceso de magnetización como resultado del flujo de corriente a través del conductor del componente. Al igual que se origina calentamiento por fricción, estos pequeños cambios en el volumen del material suelen producir también un ruido perceptible.
Los transformadores suelen utilizar acero Fe-Si (conocido como acero al silicio) con un contenido variable de silicio que ayuda a aumentar la resistividad del hierro. Un 6 % de acero al silicio provee el nivel idóneo de reducción en magnetostricción, pero debe intercambiarse por una mayor fragilidad.
El efecto piezoeléctrico
Otra causa del ruido se deriva del efecto piezoeléctrico. La palabra «piezo» viene de la palabra griega para «apretar». En 1880, Jacques y Pierre Curie descubrieron que la presión ejercida sobre algunos cristales como el cuarzo generaba carga eléctrica. A este fenómeno lo llamaron el «efecto piezoeléctrico». Más tarde, se dieron cuenta de que los campos eléctricos pueden deformar materiales piezoelectrónicos. Este efecto se conoce como el «efecto piezoeléctrico inverso».
Imagen 3: Efecto piezoeléctrico demostrado en materiales como el cuarzo
El efecto piezoeléctrico inverso modifica la longitud de dichos materiales cuando se les aplica voltaje eléctrico. Este efecto actuador convierte energía eléctrica en energía mecánica. Los cambios de voltaje también alteran la masa geométrica de los condensadores cerámicos, haciendo que estos actúen como pequeños altavoces que emiten ondas de presión en las inmediaciones.
Topologías de conmutación y circuitos de realimentación
El camino para una conversión energética aún más eficiente significa que las topologías de conmutación se integran incluso en los productos de fuentes de alimentación más simples. La frecuencia de conmutación primaria seleccionada en este tipo de modelos se suele seleccionar por encima del límite de percepción humano (>20 kHz). Sin embargo, en las soluciones de conmutación que dependen de una modificación de la frecuencia de conmutación para adaptarse a la carga variable y el voltaje de entrada, esto puede caer en el rango perceptible para así mantener una eficiencia de conversión óptima.
En las soluciones de frecuencia fija, las características como la omisión de ciclos o el modo ráfaga pueden resultar en un patrón de conmutación que cae dentro del rango perceptible, a pesar de que la frecuencia de conmutación por sí misma se encuentra por encima de los 20 kHz. Si la solución presenta pulsos de conmutación regulares interrumpidos de forma irregular por periodos de dos o más pulsos omitidos, es posible que haya problemas en el circuito de realimentación (imagen 4). En este punto, merece la pena revisar los componentes del circuito de realimentación y la zona de operación de cualquier optoacoplador.
Imagen 4: Los problemas en el circuito de realimentación pueden derivar en periodos irregulares sin pulsos (línea inferior) en diseños de conmutación de frecuencia fija.
Cómo identificar y resolver los problemas de ruido perceptible
Las SMPS son cada vez más compactas gracias al empuje de las densidades de potencia cada vez más altas. Como resultado, incluso identificar qué componente exacto es el origen del ruido perceptible puede ser un desafío. Si asumimos que el diseño opera correctamente desde un punto de vista eléctrico, un método sería utilizar un objeto no conductivo, como un palillo, para aplicar una presión ligera sobre componentes individuales del circuito impreso mientras el dispositivo está operando. Los cambios o las reducciones del ruido, especialmente entre los componentes principales como dispositivos cerámicos o magnéticos pueden proporcionar un buen punto de partida.
Si no tenemos a mano ningún dispositivo de sondeo seguro no conductivo, podemos crear una trompetilla rudimentaria con un trozo de papel. La enrollaremos en forma de cono y la abertura pequeña la dirigimos hacia los componentes sospechosos para identificar las fuentes que generan ruido.
Los condensadores cerámicos sometidos a altas oscilaciones dv/dt suelen ser perceptibles acústicamente y tienden a encontrarse en los circuitos fijadores de nivel o de ayuda a la conmutación, así como también en los niveles de salida. Para comprobar si son la fuente de ruido, pueden sustituirse por condensadores de material dieléctrico como una película metálica, o se puede aumentar su resistencia de serie. Si el ruido perceptible se reduce, debería evaluarse un cambio permanente del componente. También puede ayudar el cambio de los circuitos fijadores de nivel a diodos Zener. Los condensadores de salida problemáticos se podrían intercambiar por un material dieléctrico diferente o reemplazar con condensadores cerámicos paralelos de valor equivalente si el espacio lo permite.
Imagen 5: El condensador en el circuito de ayuda a la conmutación puede intercambiarse por un tipo de película de metal o se puede probar una resistencia mayor.
Si los componentes magnéticos son la fuente del ruido, primero hay que asegurarse de que el voltaje de entrada y la carga de salida siempre se encuentran dentro del rango especificado. El aumento de la capacitancia en el lado de entrada puede ayudar si el voltaje de entrada cae muy bajo algunas veces. El barnizado por inmersión de los transformadores y el barnizado por inmersión y los inductores encapsulados son un método para reducir el ruido. Los transformadores de longitud de núcleo largo también suelen resonar de forma más perceptible que aquellos de longitud de núcleo corto. Si es posible, se debe considerar el cambio a un núcleo más corto alternativo que pueda llevar a cabo el número requerido de bobinados.
Para todos los métodos posibles nombrados se debe tener en cuenta que será probablemente necesario repetir la verificación y las pruebas de producción.
Resumen
Tanto el impacto de la fuerza de los conductores que transportan corriente eléctrica en campos magnéticos como el efecto piezoeléctrico inverso de condensadores son los responsables principales de los ruidos perceptibles emitidos por las unidades de fuentes de alimentación. Y, a pesar de los avances en la simulación, el ruido perceptible es evidente cuando un diseño se construye físicamente y a veces solo cuando se ha preparado una cantidad de fuentes de alimentación para la preproducción.
A pesar de que la mayoría de los ruidos perceptibles en las fuentes de alimentación debería ser un motivo pequeño de preocupación desde la perspectiva de la funcionalidad o la seguridad, los clientes pueden encontrarlo molesto o incluso percibirlo como un problema de calidad. Si se siguen algunos de los consejos sencillos que proporcionamos en este artículo, se pueden identificar rápidamente los componentes que actúan como fuente del ruido y, utilizando los métodos sugeridos, se pueden reemplazar, fijar o cambiar para minimizar o erradicar los sonidos erráticos que se generan.
