Supresión del ruido acústico en las fuentes de alimentación conmutadas

Cuando estamos sentados en un auto, el ruido del motor que experimentamos es algo completamente normal. Después de todo, el compartimento del motor contiene una máquina con partes móviles. Algunas personas incluso definirían este ruido como muy agradable. De hecho, los fabricantes de coches y otros productos tienen departamentos de investigación enteros dedicados a jugar con - y crear - experiencias sonoras placenteras.

Sin embargo, es una situación diferente con las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). Ruidos como zumbidos o quejidos pueden incluso ser interpretados como una señal de advertencia. Aunque las fuentes de alimentación están compuestas por un gran número de componentes electrónicos, cuando están en funcionamiento nada debería estar en movimiento. Por lo tanto, no debería haber ningún ruido, ¿verdad?

La causa más común de los ruidos molestos de las fuentes de alimentación de CA típicamente resultaba en un zumbido de baja frecuencia de 100 o 120 Hz. A medida que las fuentes de alimentación han ido avanzando en términos de su complejidad y estructura, el rango de las ondas de sonido emitidas por ellas también ha cambiado. Sin embargo, la mayoría de los ruidos audibles no deberían ser motivo de preocupación.

Percepción y efecto

Los seres humanos pueden oír ondas de sonido en el rango de frecuencia de 16 Hz a aproximadamente 20 kHz (Figura 1). Pero el hecho de que un sonido cause o no distracción o irritación depende también de la percepción de ese sonido en el entorno en el que se genera.

Figura 1: Rango de frecuencia audible del oído humano. (Fuente de la imagen: TRACO)

Una fuente de alimentación industrial que genera un ruido audible probablemente no constituya un problema real para las personas, ya que la mayoría de los habitantes de sus alrededores lo experimentarán en el contexto de otros ruidos de fondo como parte normal del trabajo en las fábricas. Otros ruidos, gracias a su frecuencia y volumen, también pueden enmascarar las frecuencias generadas por una fuente de alimentación, efecto estudiado en la psicoacústica y utilizado en la compresión de audio en los MP3. Estos suministros también suelen estar incorporados en paneles de control con puertas cerradas que también ayudan a amortiguar cualquier ruido audible que pueda generarse.

En un entorno diferente, como una oficina, la reacción al ruido de la fuente de alimentación será significativamente diferente. Es probable que un quejido o zumbido de un aparato eléctrico se perciba como algo desagradable e incluso puede suscitar dudas sobre su seguridad.

Causas y antecedentes

Los campos magnéticos

Si un conductor conductor de corriente se encuentra en un campo magnético, generalmente está sujeto a una fuerza. El efecto de esta fuerza es mayor cuando las direcciones de la corriente y del campo magnético forman un ángulo de 90°. En tales casos, la fuerza de impacto es vertical al flujo de corriente y a la dirección del campo magnético. Se pueden utilizar tres dedos de la mano derecha para determinar la dirección de esta fuerza utilizando la regla de la mano derecha del Fleming (Figura 2).

Figura 2: Regla de la mano derecha/izquierda. (Fuente de la imagen: TRACO)

En el contexto de los transformadores y algunos inductores, un núcleo de hierro también puede sufrir un efecto conocido como magnetostricción, un efecto identificado por primera vez por James Joule en 1842. Hace que los materiales ferromagnéticos cambien de forma o dimensión durante el proceso de magnetización que resulta de la corriente que fluye a través del conductor del componente. Además de provocar un calentamiento por fricción, estos pequeños cambios en el volumen del material a menudo generan también un ruido audible.

Los transformadores a menudo utilizan acero Fe-Si (conocido como acero al silicio) con un contenido variable de silicio que ayuda a aumentar la resistividad eléctrica del hierro. El acero con un 6% de silicio proporciona el nivel óptimo de reducción de la magnetostricción, pero debe ser comercializado contra una mayor fragilidad.

El efecto Piezo

Otra causa del ruido es el efecto piezoeléctrico. La palabra "piezo" se deriva de la palabra griega para presión. En 1880, Jacques y Pierre Curie descubrieron que la presión en varios cristales, como el cuarzo, generaba una carga eléctrica. Llamaron a este fenómeno el "efecto piezo" (Figura 3). Más tarde, se dieron cuenta de que los campos eléctricos pueden deformar los materiales piezoeléctricos. Este efecto se conoce como el "efecto piezoeléctrico inverso".

Figura 3: Efecto piezoeléctrico demostrado en materiales como el cuarzo. (Fuente de la imagen: TRACO)

El efecto piezoeléctrico inverso causa un cambio de longitud en estos materiales cuando se aplica el voltaje eléctrico. Este efecto actuador convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Los cambios de voltaje también alteran la masa geométrica de los condensadores de cerámica, lo que hace que actúen como diminutos altavoces que emiten ondas de presión en la vecindad.

Cambiar las topologías y los bucles de retroalimentación

El impulso hacia una conversión de energía cada vez más eficiente significa que las topologías de conmutación se están integrando incluso en los productos de suministro de energía más simples. La frecuencia de conmutación primaria elegida en tales diseños se seleccionará a menudo para que esté por encima del límite de la percepción humana (>20 kHz). Sin embargo, en las soluciones de conmutación que dependen del cambio de su frecuencia de conmutación para adaptarse a los cambios de carga y voltaje de entrada, esto puede caer en el rango audible para mantener una eficiencia de conversión óptima.

En las soluciones de frecuencia fija, características como la salto de ciclo o el funcionamiento en modo ráfaga pueden dar lugar a un patrón de conmutación que cae dentro del rango audible, a pesar de que la propia frecuencia de conmutación se encuentra por encima de los 20 kHz. Si la solución muestra pulsos de conmutación regulares interrumpidos irregularmente por períodos de dos o más pulsos salteados, esto puede indicar problemas con el circuito de retroalimentación (Figura 4). Aquí vale la pena revisar los componentes del circuito de retroalimentación y la región operativa de cualquier optoacoplador.

Figura 4: Los problemas en el circuito de retroalimentación pueden dar lugar a períodos irregulares sin pulso (gráfico inferior) en los diseños de conmutación de frecuencia fija. (Fuente de la imagen: TRACO)

Determinar y resolver los problemas de ruido audible

Con los SMPS cada vez más compactos gracias al empuje de densidades de potencia cada vez más altas, puede ser un reto incluso determinar qué componente es exactamente la fuente de ruido audible. Suponiendo que el diseño funciona correctamente desde el punto de vista eléctrico, un enfoque es utilizar un objeto no conductor, como un palillo, para aplicar una ligera presión a los componentes individuales de la placa de circuito mientras el dispositivo está funcionando. Los cambios o reducciones de ruido, especialmente entre los componentes candidatos principales, como los dispositivos de cerámica o magnéticos, pueden proporcionar un buen punto de partida.

Si no hay un dispositivo de sondeo no conductor seguro a mano, se puede crear una rudimentaria trompeta de oído a partir de una hoja de papel. Enrollado en un cono, la abertura del extremo pequeño puede ser dirigida hacia los componentes sospechosos para evaluar las fuentes de generación de ruido.

Los condensadores cerámicos que se someten a altas oscilaciones de dv/dt a menudo resultan ser audiblemente ruidosos y tienden a encontrarse en los circuitos de pinzas y amortiguadores, así como en las etapas de salida. Para comprobar si son la fuente de ruido, pueden ser sustituidos por condensadores con dieléctricos alternativos como la película metálica, o se podría aumentar la resistencia en serie (Figura 5). Si se reduce el ruido audible, se debe evaluar un cambio permanente en el componente.

Figura 5: El condensador en el circuito de amortiguamiento puede ser cambiado por un tipo de película metálica, o se puede probar una resistencia mayor. (Fuente de la imagen: TRACO)

Cambiar los circuitos de las pinzas para usar los diodos Zener también puede ayudar. Los condensadores problemáticos de la etapa de salida podrían cambiarse por un dieléctrico diferente o sustituirse por condensadores cerámicos paralelos de valor equivalente si el espacio lo permite.

Si los componentes magnéticos son la fuente de ruido, primero asegúrese de que el voltaje de entrada y la carga de salida estén siempre dentro del rango especificado. Aumentar la capacitancia en el lado de la entrada puede ayudar si el voltaje de entrada a veces cae demasiado bajo. El barnizado por inmersión de los transformadores y los inductores barnizados y encapsulados son una forma de reducir el ruido. Los transformadores de longitud de núcleo largo también tienden a resonar más audiblemente que los de longitud de núcleo corto. Cuando sea posible, considere la posibilidad de cambiar a un núcleo alternativo más corto que pueda todavía acomodar el número requerido de bobinas.

Hay que tener en cuenta que, para todos los posibles enfoques que se han destacado, la repetición de los ensayos de verificación y producción será muy probable.

Resumen

Tanto el impacto de la fuerza de los conductores conductores de corriente en los campos magnéticos como el efecto piezoeléctrico inverso de los condensadores son los principales responsables de los ruidos audibles emitidos por las fuentes de alimentación. A pesar de los avances en la simulación, el ruido audible normalmente sólo se hace evidente una vez que se ha construido físicamente un diseño, y a veces sólo una vez que se ha preparado una cantidad de fuentes de energía para la pre-producción.

Aunque la mayoría de los ruidos audibles en las fuentes de alimentación no deberían ser motivo de preocupación desde el punto de vista de la funcionalidad o la seguridad, pueden resultar molestos e incluso ser percibidos como un problema de calidad por los clientes. Siguiendo algunos de los sencillos consejos que se dan aquí, se pueden identificar rápidamente los componentes que actúan como fuentes de ruido y, utilizando los enfoques sugeridos, sustituirlos, fijarlos o cambiarlos para minimizar o erradicar los sonidos errantes que se generan.