Guía: caracterizar fuentes de alimentación

Qué se mide, cómo se conecta, con qué instrumento y qué trampas evitar. Cada apartado indica cómo hacerlo con OSA Lab.

Esta guía sirve para fuentes lineales (transformador, rectificador, regulador LDO), conmutadas y módulos DC/DC. Las cifras de ejemplo son orientativas: lo que manda es la especificación de tu producto o la hoja de datos de los componentes.

1. Antes de empezar

• Seguridad. Si la entrada es de red, trabaja con la fuente AC programable o con transformador de aislamiento y diferencial. Nada de masas de osciloscopio en el primario. Las cargas electrónicas también tienen límites de tensión y potencia por canal: revísalos antes.
• Calentamiento. Deja los instrumentos encendidos 30–60 min (los multímetros de 6½ dígitos derivan mientras se calientan) y la fuente bajo prueba con carga un rato antes de medir regulación.
• Temperatura ambiente. Apúntala; si puedes, regístrala con un termopar más.
• Protecciones en OSA Lab. Antes de dejar algo funcionando solo, pon reglas en Herramientas › Protecciones: temperatura máxima del disipador, Vout mínima o máxima, y «la lectura deja de llegar». La acción típica es Apagar todas las salidas. La parada manual es Ctrl+Mayús+X (o el botón PARADA del móvil).

2. Montaje general

• Separa corriente y medida. La corriente va a la carga por sus cables; la tensión se mide con otros cables directamente en los bornes de salida (o en el punto que diga la especificación). Si mides en los bornes de la carga, estás midiendo también la caída de los cables: 10 mΩ a 3 A son 30 mV.
• Cables de carga cortos y trenzados (menos inductancia para el transitorio). La carga tiene su propio «sense» remoto en algunos modelos: úsalo si la carga trabaja en CV/CR.
• Una sola referencia de masa para los equipos que miden señales pequeñas (osciloscopio, analizador). Los lazos de masa meten 50 Hz y armónicos en las medidas de ruido.

3. Qué medir y con qué

4. Regulación de carga

Qué es: cuánto cambia Vout cuando la corriente de salida pasa de mínima a máxima, con la entrada fija.

Regulación de carga (%) = (Vsin carga − Vplena carga) / Vplena carga × 100
Resistencia de salida = −ΔVout / ΔIout (pendiente de la recta; más útil para comparar diseños)

1. Multímetro a 4 hilos en los bornes de salida, V DC, NPLC 10, rango fijo (el autorrango puede cambiar de rango a mitad del barrido).
2. Carga en CC. Barrido de I_mín a I_máx (10–20 puntos). Espera de 2–5 s por punto y promedia 3–5 s de lecturas.
3. Repite el barrido de bajada: si la curva de bajada no coincide con la de subida, lo que ves es deriva térmica (el regulador o la referencia se calientan), no regulación. Para separar ambos efectos, mide con pulsos cortos o con más puntos y menos espera.
4. En fuentes con sense remoto, mide con el sense conectado donde vaya a estar en la aplicación.

5. Regulación de línea y margen (dropout)

Qué es: cuánto cambia Vout cuando la tensión de entrada recorre su rango, con carga fija (normalmente plena carga).

Regulación de línea (%) = ΔVout / Vout nominal × 100 · también se da en mV/V o %/V.

1. Rango de entrada: para red de 230 V, de 207 a 253 V (±10 %) como mínimo; si el producto debe aguantar más, amplíalo (p. ej. 195–265 V). Con la Chroma 61602 se programa directamente.
2. Carga fija a plena carga. 5–7 puntos, espera suficiente para que se estabilicen los condensadores de entrada.
3. Fuentes lineales: lo crítico es el margen en el valle del rizado con tensión de red mínima y plena carga. Mide con el osciloscopio la tensión a la entrada del regulador: el mínimo de la onda (valle) menos Vout tiene que superar la tensión de dropout del regulador con margen. Si el valle cae por debajo, aparece rizado de 100 Hz en la salida. Con LDO en paralelo (p. ej. LT3045), compara también el reparto de corriente en ese punto.
4. En conmutadas, mira también el ciclo de trabajo y el modo (PWM/PFM) en los extremos.

6. Rendimiento y consumo en vacío

η = Pout / Pin = (Vout · Iout) / Pentrada real

• Con entrada AC, la potencia de entrada tiene que ser potencia real (W), no V × A (VA): una fuente con transformador y condensador tiene un factor de potencia bajo. La Chroma 61602 la mide; un vatímetro de enchufe no es suficientemente preciso a baja potencia.
• Curva de rendimiento frente a carga (10 %, 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) y consumo en vacío (sin carga): en fuentes lineales con transformador, el consumo en vacío está dominado por el transformador (corriente magnetizante y pérdidas en el hierro).
• Deja estabilizar cada punto (la temperatura cambia el rendimiento).

7. Rizado con el osciloscopio

El rizado son componentes periódicas (100 Hz de la red rectificada, la frecuencia de conmutación y sus armónicos, los picos de conmutación). Se da en mV pico a pico y en mV RMS, siempre con el ancho de banda de la medida (lo habitual: 20 MHz).

1. Acoplamiento AC, límite de ancho de banda 20 MHz, sonda en ×1 (×10 añade 10 veces más ruido de la sonda y del osciloscopio relativo a la señal).
2. Masa con muelle (tip-and-barrel) directamente en el condensador de salida, nunca con la pinza de cocodrilo larga: hace de antena y recoge el campo de la conmutación. Mejor aún: coaxial de 50 Ω con condensador de bloqueo y terminación de 50 Ω en el osciloscopio.
3. Comprueba el suelo de medida: con la punta tocando la masa en el mismo punto (sonda en cortocircuito), lo que ves es lo que mide tu montaje sin la fuente. Si se parece a la medida, la medida no vale.
4. Base de tiempos: unos 5 ms/div para ver el rizado de 100 Hz; unos µs/div para la conmutación; decenas de ns/div para los picos.
5. Toma varias capturas: el pico a pico es estadístico (cuantas más capturas, mayor sale). Da el peor de N capturas.

8. Ruido con el analizador FFT (35670A)

Con reguladores de bajo ruido (del orden de µV RMS) el osciloscopio no sirve: su propio ruido es de cientos de µV o mV. Se mide la densidad espectral de ruido en V/√Hz y se integra en la banda que dé la hoja de datos (lo habitual en LDO: 10 Hz – 100 kHz). Como referencia, el LT3045 especifica unos 0,8 µV RMS en 10 Hz – 100 kHz y unos 2 nV/√Hz a 10 kHz.

Montaje

• Preamplificador de bajo ruido (LNA) entre la fuente y el 35670A, alimentado con baterías. El ruido propio del analizador (especificado < −140 dBV/√Hz ≈ 100 nV/√Hz por encima de 1,28 kHz en el rango más sensible, peor por debajo) es unas 50 veces mayor que el de un LDO de 2 nV/√Hz: sin LNA lo que mides es el analizador. Dos condiciones: ganancia de unos 60 dB (×1000, para que el suelo del analizador referido a la entrada quede en ~0,1 nV/√Hz) y ruido propio del LNA por debajo de ~1 nV/√Hz (si no, mides el LNA). Un SR560 (4 nV/√Hz) no basta para un LT3045; hace falta un diseño como el de la nota AN-159 de Analog Devices (≈0,5 nV/√Hz, 80 dB).
• Bloqueo de continua a la entrada del LNA (condensador de film o electrolítico de baja fuga + resistencia a masa). La constante de tiempo fija la frecuencia de corte: τ = R·C; f_c = 1/(2πRC). Para medir desde 10 Hz con margen, f_c de 0,1–1 Hz. Deja que se cargue el condensador antes de medir (varias τ).
• Caja metálica cerrada para la fuente y el LNA. La red (50 Hz y armónicos) se cuela por todas partes: alimenta la entrada del DUT, si puedes, desde baterías o una fuente lineal limpia, y usa la entrada flotante del 35670A para romper lazos de masa.
• Cables coaxiales cortos. Nada de teléfonos ni fuentes conmutadas cerca.

Procedimiento

1. Suelo de ruido. Cortocircuita la entrada del LNA (dentro de la caja) y mide. Ese es el límite de tu sistema. Pulsa «Usar la última medida como suelo de ruido».
2. Medida. Conecta la fuente, mismos ajustes, y mide. Activa «Restar el suelo de ruido» (se resta en cuadratura: √(S² − S_suelo²)). Solo es fiable cuando la medida está claramente por encima del suelo (×2 o más). Si están casi juntas, el resultado es «el ruido es menor que el suelo», no un número.
3. Barrido logarítmico (3 spans de 1600 líneas: 400 Hz, 6,4 kHz y 102,4 kHz): buena resolución en baja frecuencia y llega a 100 kHz. Con un solo span de 102,4 kHz y 1600 líneas la resolución es de 64 Hz y la integración desde 10 Hz no es posible.
4. Promedios RMS: 50–100. Ventana Hanning para ruido (Flat top solo para medir la amplitud de un tono).
5. Ganancia del LNA: ponla en el panel; mídela antes con un seno conocido (el 35670A tiene fuente interna) a través de un atenuador.
6. Lee el ruido integrado (10 Hz – 100 kHz y las sub-bandas) y el ruido puntual a 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz y 100 kHz.

Correlación cruzada (dos preamplificadores)

Para bajar del ruido de tu propio preamplificador: dos LNA iguales conectados al mismo punto, cada uno a un canal del 35670A, con alimentaciones separadas. Se promedia el espectro cruzado CH1×CH2: el ruido de la fuente es común a los dos canales y se queda; el de cada LNA no está correlacionado y su residuo baja con √N (en potencia). Con 1000 promedios el residuo cae unas 5,6 veces en V/√Hz respecto al ruido de un LNA; con 10000, 10 veces. El panel dibuja ese límite (rojo discontinuo) y dice qué parte de cada banda está por encima con margen. Con dos canales el span máximo es 51,2 kHz. Los promedios cuestan tiempo: 1000 promedios del span de 400 Hz y 1600 líneas son ~67 minutos; empieza con 200–500 y mira el límite.

9. Transitorio de carga

Cómo responde la salida a un escalón de corriente: caída/subida máxima (mV) y tiempo de recuperación hasta quedar dentro de una banda (p. ej. ±1 % o ±10 mV). Habla de la estabilidad del lazo: mucha oscilación (ringing) = poco margen de fase.

1. Carga en modo dinámico: niveles (p. ej. 10 %↔100 % o 50 %↔100 % de la corriente nominal), frecuencia (100 Hz–1 kHz para ver el escalón completo) y pendiente definida (A/µs). La pendiente cambia mucho el resultado: indícala siempre. Con pendientes altas, la inductancia de los cables de carga limita: cables cortos y trenzados.
2. Osciloscopio en la salida, AC, 20 MHz, sonda ×1 con muelle. Si la carga tiene salida de sincronismo, úsala de disparo; si no, dispara en el flanco de la propia salida.
3. Mira los dos flancos: subida de carga (caída de tensión) y bajada (sobreimpulso).
4. Con varias fuentes en paralelo o LDO en paralelo, el transitorio también enseña si comparten corriente de forma estable.

10. Rechazo al rizado de entrada (PSRR)

Cuánto atenúa el regulador una perturbación en su entrada, en función de la frecuencia: PSRR (dB) = 20·log(Vin,ac / Vout,ac).

• Hay que sumar una señal AC pequeña a la continua de entrada: transformador de inyección (line injector), un amplificador de potencia, o un regulador de entrada modulado. Amplitud pequeña (decenas a cientos de mV) para no salir de la zona lineal ni del margen de dropout.
• Se mide entrada y salida a la vez. Con el 35670A en dos canales (respuesta en frecuencia, fuente interna) se llega a PSRR altos (un LDO de bajo ruido puede pasar de 70–80 dB a baja frecuencia). Con generador + osciloscopio (Diagrama de Bode de OSA Lab) el límite está en torno a 50–60 dB por la resolución del osciloscopio.

11. Ensayo térmico

1. Termopares K en los puntos calientes: regulador (pestaña o encapsulado), disipador, transformador (bobinado y núcleo), rectificador, condensadores electrolíticos (su vida depende de la temperatura) y uno al aire ambiente.
2. Caso peor: tensión de red máxima y plena carga (más disipación en lineales) dentro de la caja final, sin ventilación extra.
3. Mantén hasta estabilizar: menos de 1 °C de cambio en 10–15 min (con transformadores grandes, más de una hora).
4. Da el incremento sobre ambiente (ΔT) además de la temperatura absoluta, y extrapola a la temperatura ambiente máxima de uso.

12. Arranque, protecciones y deriva

• Arranque: osciloscopio en disparo único sobre el flanco de subida de Vout al encender la entrada: tiempo de subida, sobreimpulso, arranque monótono (sin escalones) con carga mínima y máxima, y con carga capacitiva si la aplicación la tiene.
• Límite de corriente y cortocircuito: carga en modo CV bajando la tensión, o en cortocircuito; mide la corriente de límite, si es «foldback» y si se recupera sola al quitar el corto. Vigila temperaturas.
• Precisión de la tensión de salida y su dispersión entre unidades (varias placas).
• Deriva a largo plazo: registro de 8–24 h con el multímetro (NPLC 10) y la temperatura ambiente: OSA Lab graba la sesión entera y los cursores de la gráfica dan la deriva por minuto entre dos instantes.

13. Informe y lista de comprobación

La caracterización de OSA Lab genera el PDF con resumen, montaje, gráficas y tabla, y el CSV con todos los puntos (carpeta OSALab/caracterizacion). El panel del 35670A y la herramienta de rizado exportan sus curvas a CSV.

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