"Eficiencia" de las fuentes de alimentación conmutadas y pérdida de energía teórica

Esta es una respuesta mucho más simplificada: -

Existe una cosa llamada transformador: tiene dos bobinas que están estrechamente conectadas magnéticamente. Las dos bobinas se llaman primaria y secundaria. Si el primario tiene 1000 vueltas y el secundario tiene 100 vueltas, reducirá un voltaje de CA de 120 V a 12 V. Habrá una ligera pérdida de potencia, pero por lo general los transformadores tienen una eficiencia superior al 90 %. Si asumimos una eficiencia cercana al 100 %, se deduce que si reducimos el voltaje diez veces, también podemos aumentar la corriente diez veces, así que, de manera simplista: -

$V_{in} \cdot I_{in} = V_{out} \cdot I_{out}$

El transformador está en el corazón de una fuente de alimentación conmutada fuera de línea, pero en lugar de que el transformador se alimente con CA sin procesar a 60 Hz o 50 Hz, se alimenta a una frecuencia mucho más alta y esto significa que se puede usar un transformador mucho más pequeño.

Entonces, los 110 V CA entrantes se rectifican y suavizan (no a 110 V CC), sino a un voltaje más parecido a 154 voltios CC. Esto alimenta un oscilador de potencia (que podría funcionar a 100 kHz) y esto impulsa el transformador primario.

En el secundario (el lado de baja tensión) hay otro rectificador y más condensadores de suavizado. También puede haber un sistema de retroalimentación que mantiene la salida estrechamente regulada. Aquí hay un diagrama de bloques típico: -

_{(fuente: philpem.me.uk )}

Por lo tanto, debería poder arreglármelas con un cable de calibre más pequeño que va a la entrada (a alto voltaje) de mi fuente de alimentación conmutada mientras tengo que usar un cable de calibre más pesado para la salida (a voltaje más bajo).

¡Correcto!

Hay muchas topologías diferentes para las fuentes de alimentación conmutadas. Creo que podrías estar confundiendo algunos de los conceptos.

En primer lugar, en todos los casos que conozco, la CA se convierte en CC mediante un rectificador de algún tipo. El AC no está conectado al elemento de conmutación.

Hay una familia de SMPS llamados convertidores fuera de línea. Estos conectan la CC rectificada de alto voltaje y el elemento de conmutación a un transformador. Esto proporciona dos beneficios principales. La primera es que una frecuencia de conmutación alta le permite usar un transformador más pequeño. (Así es como hacen que los cargadores de iPhone sean lo suficientemente pequeños como para caber dentro de un enchufe). El segundo beneficio es el aislamiento del voltaje de la red, que es un requisito de seguridad.

Los SMPS más básicos a menudo se denominan convertidores CC-CC, y creo que estos son realmente lo que está preguntando. Puedes pensar en estos como relés de energía. Utilizan un inductor para almacenar y limitar el flujo de energía eléctrica según el ciclo de trabajo del interruptor. Mire un convertidor reductor-elevador: nunca hay una ruta conductora entre el voltaje de la fuente y la carga:

Mucha gente piensa que energía = voltaje, y luego se confunden cuando aparecen los inductores. Recuerde, el hecho de que haya una corriente y una caída de voltaje no significa necesariamente que la energía se haya perdido.

En los suministros de modo de conmutación, la energía perdida (calor generado) está en el diodo de rueda libre y en el inductor/condensadores utilizados y, como mencionó, el elemento de conmutación.

La combinación de ESR de los capacitores, la caída de voltaje directo del diodo de rueda libre (siempre un diodo Schottky) durante el ciclo de apagado y la resistencia de CC del inductor son los que se combinan para generar pérdidas de eficiencia.

Lo importante también es el ciclo de trabajo máximo/mínimo del convertidor, y algunos no son tan buenos para mantener condiciones de ciclo de trabajo bajas. Pueden ser muy ineficientes en ciclos de trabajo muy altos o muy bajos (generalmente determinados por el voltaje de entrada o la diferencia en los voltajes de entrada/salida) y se quema más energía de lo normal a través del diodo.

Es posible que desee consultar un diagrama animado que muestra un convertidor reductor con una configuración de diodo e inductor y capacitor y ver dónde fluye la corriente durante el ciclo, y ver dónde ocurren las pérdidas.