Fuente De Alimentación Conmutada 6fz1t

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FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA I. INTRODUCCIÓN Una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la corriente eléctrica alterna a corriente eléctrica continua. También llamadas rectificadores, transformadores, convertidores, alimentadores, etc. No siempre correctamente pero igual utilizados. Fuente lineal Las primeras fuentes de alimentación eran lineales. Un transformador que reducía la tensión de entrada de 220/120 VAC a otra tensión seguida de de un puente de diodos y algún filtro para estabilizar la salida.

Figura N1: circuito básico de una fuente lineal. La fuente lineal ofrece al diseñador tres ventajas principales: Simplicidad de diseño.  Operación suave y capacidad de manejar cargas. Bajo ruido de salida y una respuesta dinámica muy rápida.  Para potencias menores a 10W, el costo de los componentes es mucho menor que el de las fuentes conmutadas. El inconveniente de las fuentes lineales es su gran tamaño, que disipan gran parte de la energía en calor. 

Consecuentemente su eficiencia se reduce y la vida de los componentes electrónicos que puedan estar cercanas se ve se ve mermada. II. OBJETIVO     

Conocer el funcionamiento de una fuente alimentación conmutada. Conocer las ventajas y desventajas de la fuente conmutada. Identificar su diferencia con otros tipos de fuente de alimentación. Identificar las aplicaciones de una fuente conmutada tanto dentro como fuera de la industria. Diseñar una fuente conmutada.

III. PLANTIAMIENTO DEL PROBLEMA Página 10

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Las necesidades en la carrera aeroespacial de reducir peso y consumo de toda la electrónica llevo al primer desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas. Así en los años cuarenta se dieron los primeros pasos en sistema conmutados por parte de la NASA. Las desventajas del regulador lineal es su límite de aplicación. Sólo pueden ser reductores de tensión, lo que significa que se necesitará una caída de tensión aceptable para poder controlar la polarización de la etapa de potencia lineal y la regulación en la línea. En aplicaciones de línea de 50Hz, deberán utilizarse transformadores de línea adicionales de gran volumen, condicionando su versatilidad y practicidad. Segundo, cada regulador lineal puede tener sólo una salida. Por esto, para cada salida regulada adicional necesaria, deberá incrementarse el circuito de potencia. Tercero, y quizás el más importante es su eficiencia. En aplicaciones normales, los reguladores lineales tienen una eficiencia del 30 al 60%. Esto significa que por cada Watt los costos se irán incrementando. Esta pérdida llamada “headroom loss“, ocurre en el transistor de paso y, desafortunadamente es necesaria para polarizar la etapa de potencia y para cumplir con las especificaciones de regulación de línea, cuando la mayoría del tiempo el regulador no funcionará en esas condiciones. Con las fuentes de conmutación se viene a mejorar el factor de eficiencia hasta en un 95% teóricamente. Por lo cual su implementación en equipos de computación y video. III.METODOLOGIA DE TRABAJO Fuente de alimentación conmutada Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (20-100 KHz típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (Cerrados).

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Figura N2: Diagrama de bloques para el diseño para una fuente de poder Conmutada con PWM Las fuentes conmutadas tiene por esquema: rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador y salida. La regulación se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito PWM (Pulse Width Modulation) que cambia el ciclo de trabajo. Aquí las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador convierte la señal alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser también un filtro de condensador o uno del tipo LC. Rectificador: El primer rectificador que nos encontramos cogerá la señal alterna de la entrada y la transformará en una señal continua, esto lo hará por medio de un rectificador de media onda o de onda completa (en la figura aparece uno de media onda). Conmutador: El conmutador estará compuesto por uno o varios transistores mosfet o bipolares (lo normal es que sean mosfet), estos transistores trabajaran en corte-saturación, es decir, darán "todo o nada" (trabajarán como un interruptor normal). El conmutador lo que hará será cerrar y abrir el circuito y dejar pasar o no la corriente que llega del rectificador a través del transformador, esta operación de dejar pasar o no dejar pasar la corriente, normalmente se realiza entre 20KHz y 100KHz, o lo que es lo mismo, entre 20.000 o 100.000 veces por segundo. Transformador: El transformador tendrá la misma función que en las fuentes de alimentación lineales, su función es la de adaptar los niveles de tensión entre el primario y secundario y aislar galvánicamente las dos partes del circuito. La diferencia con la fuente de alimentación lineal, es que en la fuente conmutada, el transformador va a trabajar con una señal cuadrada en lugar de senoidal y lo va a hacer a frecuencias muchos mayores. Segundo rectificador: La función del segundo rectificador será la de transformar la señal cuadrada que sale del transformador en una señal totalmente continua y estable. Salida: En las fuentes de alimentación conmutadas, podemos ver la salida como otra parte más de la fuente, ya que todas las fuentes de alimentación conmutadas trabajan en lazo cerrado o con realimentación, pero... ¿qué quiere decir esto?, pues que son fuentes que están constantemente viendo que niveles entregan a su salida y en función de los requerimientos del sistema trabajaran más o menos, y es aquí cuando se introduce el concepto de "Duty Cycle" o ciclo de trabajo. Las fuentes conmutadas tienen las siguientes ventajas:  La eficiencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 68 y el 90%. Esto hace reducir el costo de los dispositivos de potencia. Además, los dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte y saturación, haciendo el uso más eficiente de un dispositivo de potencia.  Debido a que la tensión de entrada es conmutada en una forma de alterna y ubicada en un elemento magnético, se puede variar la relación de Página 10

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

transformación pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensión con múltiples salidas. No es necesario el uso del transformador de línea, ya que el elemento magnético de transferencia de energía lo puede reemplazar, funcionando no en 50/60 Hz, sino en alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño del transformador y en consecuencia, de la fuente; reduciendo el peso, y el costo.

Clasificación Las fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos: 

Alimentación CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro (Ejemplo: fuente de alimentación de ordenador de mesa)



Alimentación CA, salida CA: Variador de frecuencia, conversor de Frecuencia. (Ejemplo: variador de motor)



Alimentación CC, salida CA: Inversor (Ejemplo: generar 220v/50ciclos a partir de una batería de 12v)



Alimentación CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente. (Ejemplo: cargador de baterías de celulares para auto) DISEÑO Estudio y dimensionamiento de los elementos. Una vez elegida la topología Push-Pull como la más apropiada procederemos a analizar cada uno de los bloques constituidos en el sistema, como se muestra Figura 2, a continuación se listan los cuatro bloques más importantes:

1. Rectificador de entrada. 2. Circuito inversor Push-Pull 3. Rectificadores de salida 4. Controlador TL494 1. Rectificador de entrada. Como sabemos una parte esencial de las fuentes conmutadas es el bus DC que se obtiene al tomar la tensión de la red (AC) que en Perú es de 220 Vrms a 60 Hz y convertirla en corriente continua (DC) a través de un circuito de potencia llamado rectificador, para esto se ha elegido una rectificación no controlada, además en esta rectificación se utilizan cuatro diodos en una configuración llamada en puente completo como se ve en la Figura 2.3 de esta manera siempre trabajan 2 diodos simultáneamente dependiendo de la polarización, esta configuración es más costosa en comparación con una rectificación de media onda con un solo diodo, debido a su número de componentes, pero existen encapsulados que ya traen los cuatro diodos en un solo paquete.

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Figura N3: Configuración en puente completo

En esta configuración se obtiene una componente continua alrededor del 63% del valor de pico, y un rendimiento aproximado del 81%. Por claras razones el rendimiento de esa configuración es el doble que el rectificador de media onda, es por esta razón que se ha planteado utilizar este tipo de rectificador, que además contará con un filtrado con capacitor. Para dicho proceso se uso un puente rectificador KBL005 ya que se puede usar un solo encapsulado permitiéndonos ocupar menos espacio en la placa (PCB). A continuación se presenta la Figura 2.4 que es el esquema de dicha configuración a utilizar en la fuente.

Figura N4 Ahora debemos determinar los valores del voltaje pico inverso de bloqueo del puente rectificador, para esto sabemos que es el doble de la tensión rectificada El puente rectificador que vamos a utilizar deberá soportar un Voltaje en polarización inversa sin entrar en avalancha

voltaje pico (

√ 2∗V I ¿

V (¿¿ D) ¿

que es el doble del

establecido por la siguiente ecuación:

V D =2∗√2∗V I =2∗ √ 2∗220=622 . 254 V

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Filtrado Además para la parte de filtrado se uso un condensador electrolítico ya que poseen altas capacidades para así poder reducir al máximo el rizado de salida. El condensador utilizado es de 470uF

Figura N5: Capacitor Panasonic 470uf. Además de la capacitancia debemos tener en cuenta el voltaje al cual el condensador debe trabajar, ésta será igual al voltaje de rectificación.

V C =√ 2∗V I = √2∗220=311 . 127 V Donde:

VC

: es voltaje en la carga en este caso será el voltaje máximo que tendrá

que soportar el condensador.

VI

: Es el voltaje de la línea (220v).

Figura N6: Simulación rectificación entrada.

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Figura N7: Grafica de osciloscopio de la rectificación de entrada.

Figura N8: Valores medidos del voltaje y corriente en la rectificación de entrada. 2. Inversor. La configuración Push-Pull es la cual vamos a utilizar como inversor partiendo del bus DC para obtener un voltaje alterno a la

salida del secundario del

transformador.

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Figura N9: Esquema del circuito inversor.



Como se puede observar existen cuatro partes importantes dentro de este proceso. Driver



IGBT



Red Snubber



Transformador Driver



Proporcionar aislamiento entre los circuitos de control y los altos niveles de tensión y corriente manejados por los dispositivos electrónicos de control de potencia.



Generar las formas de onda de voltaje y corriente necesarias para que los dispositivos de potencia operen hasta en las condiciones máximas de voltaje y corriente definidas por el fabricante.



Proporcionar protección local contra fallas.

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Para el circuito de disparo o driver, se

ha

utilizando

integrado

IXDI604PI

el

circuito

como

se

muestra en la figura 2.11. Ya que este driver pueden alimentar dos MOSFET´s o dos IGBT’s como se ve en la figura 2.12. Y además necesita una corriente muy baja para activarlo. Figura N10: Driver IXDI604PI. IXDI604PI conectado a dos IGBT’s. Parámetro Voltaje de alimentación Voltaje de entrada Corriente de entrada Corriente de salida

Figura N11: Driver

Símbol o Vcc

Mínimo

VINx,V ENx IIN

5 -

IOUT

-

-0.3

Máxi mo 4 0 + Vcc 0.3 10µ

± 1 Tabla 1: características driver IXDI604PI

IGBT Como

parte

importante

del

sistema

también

tenemos

Unid ad V V A A

los

elementos

switcheadores o conmutadores, se ha planteado el uso de IGBT’s (transistor bipolar de puerta aislada) ya que nos da la gran ventaja de ser una mescla de un MOSFET y un BJT, eso quiere decir que podemos controlar su estado de conducción a través de una señal de voltaje aplicada al Gate (MOSFET) y aprovechar las características de conducción y capacidad de manejo de corriente (BJT) , cabe recalcar que este dispositivo es adecuado para nuestro caso ya que trabaja muy bien con velocidades de conmutación de 30 kHz. Para calcular el voltaje colector emisor (V CE), así como la corriente de colector (ICEmax ) Partimos de la eficiencia de la configuración de nuestro convertidor:

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La eficiencia (η) estimada en un convertidor Push-Pull es de 75% y un ciclo de trabajo máximo (Dmax) es de 0.9 Con este valor, se puede estimar la máxima potencia de entrada.

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Donde es la potencia estimada de salida 50w, la

η es la eficiencia ya

especificada.

P¿ =

50 W =66.66 w 0.75

Para el cálculo de los valores del IGBT para un convertidor Push-Pull Donde Vin Max es de el voltaje continua máximo es decir de

311 .127 V

V CE =2∗311.127=622.254 V Pero debido al apagado del IGBT existen unos sobre picos de tensión que pueden llegar a dañar al dispositivo, pero se puede atenuar con la ayuda de la red Snubber por esa razón debemos sobre dimensionar un poco para protegerlo. Además debemos calcular la corriente mínima soportada por el IGBT

I CEmax =

50 =0.238 A 0.75∗0.9∗311.127

El IGBT en particular usado es HGTG5N120BND como se puede ver en la

Figura 2.13. Figura N12: IGBT HGTG5N120BND encapsulado TO-220 Parámetro Voltaje EmisorColector Corriente de Colector a 25°C Corriente de Colector a 110°C Potencia de

Símbol o VCE

Mínimo -

Máxi mo 1200

Unid ad V

IC25

-

21

A

IC110

-

10

A

PD

-

160

w

disipación total a 25°C Tabla 2: Características de IGBT HGTG5N120BND

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Red Snubber En la conmutación, cuando el IGBT se apaga existe un alto voltaje en el colector debido a la inductancia de dispersión del transformador, que puede provocar un mal funcionamiento del interruptor. Por tanto, se necesita de un camino alternativo para descargar esa energía, cuya función cumple la red

Snubber RC . Figura N13: Red snubber RC para IGBT El objetivo es encontrar una red RC capas de atenuar el pico de tensión en el instante que este se da, debido a que el periodo donde aparece este pico que es para nuestro caso en particular un aproximado de 0.5% de un ciclo de trabajo total de 33.333µs, que en nuestro caso es 0.16665 µs, por esta razón el valor del capacitor y resistencia deben de ser de valores muy bajos para alcanzar este tiempo, pero mientras más bajo el valor de la resistencia existe más disipación de potencia, entonces debemos elegir un capacitor estándar para snubber que además de ser del rango de los nano faradios debe soportar un voltaje de al menos 1Kkv como es común en capacitores diseñados para este propósito, para la resistencia calculamos dependiendo de la constante de tiempo que requerimos Donde RC el producto de la resistencia y la capacitancia y K es una constante que viene expresada en segundos(s) K =0.16665µs

C=1.1nf

Entonces:

R=

K 0.16665 = =150 ohms C 1.1 nf

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Como esta red estará absorbiendo toda esta energía la potencia disipada por la resistencia debe ser calculada para evitar posibles daños en ella, para esto se planteo un circuito para simularlo en multisim y así obtener la potencia disipada en la resistencia. La fuente será un tren de pulsos con un ancho de pulso de 0.16665µs el periodo de 33.333µs y la amplitud del pulso será más del doble de la aproximadamente 400v.De esta manera estaremos simulando el pico producido por el switcheo. XWM1 VI

V1 0 V 400 V 0.166usec 33.33usec

R1 150Ω

C1 1.1nF

XSC1 Ext Trig + _ A ++ __

B

Figura N14: Simulación red snubber

Figura N15: Grafica de los picos. Figura N16: Vatímetro con el valor de la bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbpotenc ia disipada por la resistencia.

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Según los valores simulados se establecen una potencia estimada de 3.470W Por ende los valore de la red snubber queda de la siguiente manera: C= 1.1nf – 1Kv

R= 150Ω - 5w

Transformador El transformador utilizado es un Push-Pull 750811330 de we–Midcom ya que posee en el devanado primario una toma central que es necesaria para esta configuración, una de las características más importantes es que puede trabajar hasta los 200khz, esto garantiza que es capaz de transformar una señal eléctrica a dicha frecuencia, este transformador tiene tres bobinados secundarios y uno auxiliar, la relación de transformación de estos bobinados son de 6 a 1 y soporta hasta 16v – 5A, su bobinado primario tiene la capacidad aíslate para trabajar con un bus DC de hasta 450VCC y tiene un aislamiento entre el primario y el secundario de 4500v. La distribución de pines se muestra la Figura 2.18.

Figura N17: Diagrama de pines del transformador

3. Rectificadores de salida Para la rectificación de alta frecuencia se utiliza un sistema de media onda con filtrado capacitivo e inductivo. Como se muestra en la Figura N18. Este rectificador está compuesto de diferentes elementos como son:

a) Diodo Schottky. b) Inductancia. c) Capacitor alta frecuencia.

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Figura N18: Rectificador de salida con filtrado LC

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Diodo Schottky. Debido a que en la rectificación de salida se necesita menos caída de tensión y pérdidas de potencia producidas por el número de diodos se optó por una rectificación de media onda. Además dichos diodos deben ser capaces de rectificar a altas frecuencias y tener baja caída de tensión ánodo cátodo, por ello se planteo la utilización de unos diodos schottky MBR1045 que además funcionan muy bien a bajas tensiones. Como es común para comprar un diodo los valores a tomar en cuenta son el voltaje inverso máximo

y su corriente máxima

es especificada para

cada salida. Por esta razón utilizamos el siguiente dispositivo para la rectificación de salida MBR1045 Figura 2.20 [tomado de hoja de datos del fabricante] con un empaquetado TO–220 ya que posee las siguientes características:

Figura N19: Diodo Schottky MBR1045 TO-220

Tipo

V

I

TjMax

MBR104 5

4R 5

D

150C°

1 0

Tabla N4 características del diodo Schottky MBR1045

Inductancia. Para garantizar un filtrado de mejor calidad a la salida del la fuente no solo es necesario un capacitor, sino también una inductancia que nos ayude a eliminar aun más la componente de alterna indeseada a la salida del rectificador. Para elegir la inductancia debemos partir de un análisis de superposición en el cual tomamos en cuenta solo la componente de corriente alterna que es la que queremos eliminar.

Figura N20 Circuito equivalente del filtro LC en CA.

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que la inductancia si cumple con lo establecido y así el inductor adquirido es un TCH20-26 de núcleo de ferrita como se ve en la Figura 2.22 apto para aplicaciones de fuentes switcheadas.

Figura N21 Inductor toroidal TCH20-26

Capacitor alta frecuencia.

Para el filtrado de alta frecuencia es necesario utilizar un capacitor que sea capaz de filtrar a altas frecuencias de switcheo, en este caso 30kHz, además de poseer una ESR (resistencia equivalente en serie) baja para poder filtrar eficientemente en estas condiciones. El estándar de rizado para fuentes conmutadas es de 0.5% esto quiere decir que para nuestras salidas tendremos Salida +15v 2 A

C=

I 0.5 A = ≅ 220 uf f∗Vr 30000 Hz∗0.075 V

Figura N22: Circuito simulación salidas +15v

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Figura N23: Osciloscopio voltaje de salida +15v Según los cálculos y las simulaciones debemos adquirir los capacitores correspondientes tomando en cuenta cada una de las características necesarias, entonces elegimos los capacitores cerámicos de THD series de NIPPON CHEMI- CON Figura 2.30 [hoja de datos del fabricante] que están fabricados específicamente para fuentes switcheadas:

Figura N24: Capacitor cerámico THD

4. Descripción del Controlador Utilizado El integrado usado para el control es el TL494 que es un controlador por ancho de pulso PWM de frecuencia fija muy utilizado en el diseño de fuentes conmutadas, posee dos salidas complementadas entre sí lo que resulta Página 17

óptimo para realizar la configuración Push-Pull. En la Figura 2.31 se puede apreciar la distribución de pines con los que cuenta este controlador.

Figura N25: Distribución de pines del controlador TL494 Características del TL494. El controlador utilizado para la construcción de la fuente consta con 16 pines, conocer la función que cumplen cada uno de ellos dentro de la operación de este es de suma importancia puesto que por medio de ellos se pueden alterar el comportamiento del controlador y también es útil para aprovecharlo al máximo en la aplicación a ser utilizado.

Figura N25: Diagrama de Bloques del Controlador TL494

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En el diagrama de bloques de la Figura N25 se puede observar los diversos componentes con los que cuenta el TL494.



Este integrado posee dos amplificadores de error cuyos ingresos se encuentran ubicados en los pines 1, 2, 16 y 15; puesto que solo tendremos una señal de retroalimentación se utiliza un amplificador de error y el otro se lo inhabilita, esto se consigue conectando directamente estos ingresos a tierra. El amplificador de error tiene la función de realizar la comparación entre una señal de referencia (partidor de tensión formado con dos resistencias y la alimentación de referencia) y la señal deseada (toma directa de tensión de una de las salidas del secundario); y generar una señal de error en caso de existir diferencia entre las dos señales.



El pin denominado Output Control (pin 13) tiene la finalidad de establecer las condiciones de funcionamiento para los dos transistores de salida Q1 Q2, si este pin es conectado a GND los transistores se comportan como una salida paralela lo que quiere decir que los dos se activan en los mismos lapsos de tiempo; si se conecta el pin al voltaje de referencia, la cual es la condición usada, los transistores funcionan en una configuración normal Push-Pull es decir solo uno a la vez, esto a su vez influye en la frecuencia a la que trabajan los transistores Q1 y Q2, ya que si está en configuración Push-Pull la frecuencia dada por el producto de Ct y Rt se divide para dos .



Los transistores de salida que se pueden observar en el diagrama de bloques son los encargados de generar las señales PWM que controlan a los elementos de potencia, estos son de tipo open colector razón por la que necesitan la ayuda de una resistencia en el colector que en nuestro caso se colocó resistencias de 2.2kΩ a 0.5w ya que la corriente necesaria para activar al driver debe ser un mínimo de 10µA. CONCLUSIONES:  Comprendemos el funcionamiento de la fuente con alimentación conmutada sus principales ventajas para la aplicación en la industria gracias a su gran eficiencia hace que esta fuente tenga aplicaciones múltiples y necesaria en el desarrollo de la industria para de esa manera tener una opción más para mejorar la productividad de una industria relacionado o afines.  Este trabajo proporciono las características de las fuentes conmutadas, su funcionamiento, diseño, construcción, aplicaciones. También nos señaló las principales diferencias entre una fuente conmutada y una fuente común. Indico la utilidad y eficacia de una fuente conmutada. BIBLIOGRAFÍA: -http://fidestec.com/blog/fuentes-de-alimentacion-conmutadas-01/

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- http://procesadordisipador.blogspot.pe/2012/11/memoria-ram-y-fuente-dealimentacion.html - http://ayudaelectronica.com/fuente-lineal-vs-fuente-conmutada/ - http://cosasdeaudio.com/fuentes-de-alimentacion-reguladas-y-no-reguladas/ - http://www.zonamaker.com/electronica/introelectronica/instrumentacion/fuente-de-alimentacion

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