Cómo medir el ripple y la estabilidad de una fuente de alimentación

Guía Hardware » Componentes » Fuente de alimentación » Cómo medir el ripple y la estabilidad de una fuente de alimentación

Medir de forma correcta el rizado (ripple), el ruido y la estabilidad de una fuente de alimentación no es solo cosa de girar un par de mandos en el osciloscopio: las técnicas de sondeo y las condiciones de prueba mandan. Si queremos datos fiables y comparables con las especificaciones del fabricante, hay que cuidar cada detalle: desde cómo tomamos masa con la sonda hasta la carga aplicada, pasando por el ancho de banda y los condensadores de medida en salida.

En las próximas líneas encontrarás una guía completa y práctica, con enfoque de laboratorio, para que puedas ver en pantalla exactamente lo que tu fuente entrega, sin autoengañarte con picos espurios ni quedarte corto en el análisis. Hablaremos de rizado, ruido (PARD), respuesta a transitorios, tiempos de incremento y asentamiento, e incluso aislamiento para evitar bucles de tierra. Todo explicado en lenguaje claro y con trucos de uso diario que marcan la diferencia.

Qué son el rizado y el ruido en una fuente de alimentación

Cuando hablamos de ondulación y ruido de salida, solemos agrupar dos fenómenos distintos. Por un lado está la ondulación periódica derivada del proceso de rectificación y regulación, y por otro el ruido aleatorio que se reparte por un amplio espectro de frecuencias. En especificaciones verás este conjunto como PARD (desviación periódica y aleatoria), que normalmente se reporta como un valor pico a pico en milivoltios.

En una fuente lineal, la parte periódica de la ondulación suele estar asociada a la red eléctrica de 50/60 Hz (y armónicos), ya que el proceso de rectificación y filtrado nunca es perfecto. Estas fuentes suelen brillar por su bajo rizado y poco ruido, pero a cambio son menos eficientes, más voluminosas y calientan más debido a su regulación lineal.

A todo esto hay que sumarle el ruido del entorno (electromagnético) y el que introduce tu propio cableado. Usar cables apantallados y, cuando sea posible, par trenzado ayuda a mantener a raya lo que no es estrictamente ruido de la fuente. Si no blindas bien tu montaje de medida, lo que verás puede engañarte.

Preparación de la medida: la sonda es el 50% del resultado

La magnitud que queremos medir se mueve en milivoltios pico a pico, así que cualquier mala práctica de sondeo puede amplificar ruido, recoger interferencias o introducir resonancias que enmascaren el dato bueno. La norma de oro es minimizar el área del bucle de masa de la sonda. La típica pinza de cocodrilo que viene con la sonda es cómoda, pero crea un lazo enorme con inductancia parásita: justo lo contrario de lo que quieres al medir ripple.

Para minimizar ese lazo hay dos métodos muy recomendables. El primero es el de «punta y barril»: quitas la caperuza de masa y la pinza, dejando a la vista la punta y el barril metálico de la sonda; después, apoyas la punta en el punto de medida y haces contacto de masa con el barril lo más cerca posible (idealmente en el pad de tierra del propio condensador de salida). Es un método rápido y, si el punto es accesible, ofrece un lazo mínimo.

El segundo método es el de «clip corto» (o muelle de masa): añade a la sonda una pequeña espira o muelle conductor que permite una masa muy corta hacia el barril. Este accesorio hace la vida más fácil y mantiene el lazo diminuto, sin tener que pelearte con el barril en ángulo. Resultado: menos inductancia y menos captación de ruido externo.

Además del sondeo, respeta las condiciones de prueba típicas de las hojas de datos si pretendes comparar resultados: carga a nivel especificado (a menudo carga completa), todas las tensiones de entrada de interés, y condensadores de medida en el punto de salida. Muchos fabricantes piden colocar en salida un electrolítico de unos 10 μF y un cerámico de 0,1 μF durante la medida, y posicionar la sonda muy cerca de ellos.

Otro ajuste crítico es el del osciloscopio: activa el límite de ancho de banda a 20 MHz cuando midas rizado/ruido de salida, tal y como suelen especificar las fichas técnicas. Filtrar a 20 MHz evita que aparezcan componentes de muy alta frecuencia irrelevantes para la especificación y, por tanto, obtienes un valor comparable con el que te promete el fabricante.

Cómo medir el ripple de salida con el osciloscopio

Antes de nada, prepara la fuente con la carga que vayas a utilizar, asegurándote de que sea estable y acorde a lo exigido por el fabricante. La carga influye de forma directa en el rizado, por lo que no es buena idea medir en vacío si luego tu circuito real demanda corriente. Si quieres contrastar con datasheet, usa su condición de carga (a menudo al 100%).

Respecto a la configuración del osciloscopio, un truco sencillo y efectivo es usar acoplamiento AC para el canal con el que observarás el rizado: de este modo eliminas la componente DC y centras la vista en el ripple. Para fuentes con ondulación a 50/60 Hz (lineales) una base de tiempo en el entorno de 5 ms suele darte una vista general clara; si la fuente es conmutada, ajusta la escala temporal para ver varios periodos de conmutación y captar la periodicidad real.

Recuerda colocar la sonda lo más cerca posible del condensador de salida o de los condensadores externos que hayas dispuesto para la medida. Cuanto más lejos tomes la masa y la punta, más offset e interferencias sumarás. Evita a toda costa el cable largo de masa de la sonda. Si tienes disponible el muelle de masa corto, úsalo. Si no, recurre al método de punta y barril.

Pon el límite de ancho de banda del canal a 20 MHz y ajusta la escala vertical a unos pocos mV/div para observar con detalle el pico a pico. Si ves picos de altísima frecuencia que no encajan con la especificación, sospecha de un lazo grande o de acoplos indeseados. Revisa la posición física de la sonda y la referencia de masa antes de culpar a la fuente.

• Usa acoplamiento AC para centrarte en el rizado y ajusta la base de tiempo según el tipo de fuente.
• Limita el ancho de banda a 20 MHz para equiparar tu medida a la especificación PARD típica.
• Coloca la sonda junto a los condensadores de salida (p. ej., 10 μF y 0,1 μF) y minimiza el lazo de masa.
• Verifica varias tensiones de entrada y el nivel de carga que vas a usar en la práctica.

Un caso clásico: en equipos con B+ elevada (por ejemplo, alrededor de 195 V), activar el acoplamiento AC permite ver de inmediato la ondulación superpuesta a la continua. Con una base de tiempo cercana a 5 ms puedes identificar fácilmente el rizado de red o detectar filtrado deficiente. Tras sustituir condensadores de filtro fatigados, la imagen del ripple suele mejorar de forma evidente.

Respuesta transitoria y estabilidad ante cambios de carga

La estabilidad en régimen dinámico es tan importante como el rizado en régimen permanente. Cuando la carga cambia de forma brusca, la tensión de salida se desvía temporalmente de su valor nominal. La energía «de más» o «de menos» durante esa transición la gestionan los condensadores de salida, que ceden o absorben carga hasta que el lazo de control reajusta la energía que entrega la fuente.

Para caracterizar bien la respuesta transitoria, define tres cosas: corriente inicial, corriente final y la pendiente (slew rate) del cambio. Cuanto más rápida sea la transición de carga, mayor será la desviación momentánea, porque el controlador necesita varios ciclos de conmutación para corregir. Además, el comportamiento puede diferir en regiones de baja carga respecto a cargas medias/altas; si tu transitorio cruza esos «umbrales» de operación, la respuesta puede cambiar.

La medida estándar requiere dos canales: uno para la tensión de salida y otro para la corriente o, al menos, una señal síncrona del generador de carga pulsante. Coloca la sonda de tensión lo más cerca posible del punto de regulación o patillas de salida, porque si mides lejos aparecerá un offset DC entre estados de carga debido a la caída en el cableado, enmascarando la verdadera respuesta de la fuente.

En cuanto al criterio de rendimiento, muchas hojas de datos expresan la respuesta transitoria como el tiempo que tarda la salida en volver a estar dentro de un porcentaje determinado del valor nominal después de un escalón del 50% en la corriente de carga. Por ejemplo, recuperarse al 0,1% en 50 μs tras un cambio del 50% de carga es una forma habitual de especificarlo. Este número, además de la excursión pico, te da una fotografía clara del control de la fuente.

La respuesta transitoria y los tiempos de incremento/asentamiento influyen directamente en tu tiempo de prueba, especialmente en sistemas automáticos: si el canal tarda más en asentarse, más tienes que esperar antes de hacer la siguiente medida. Esto puede impactar en throughput y coste; merece la pena optimizar tanto la fuente como la secuencia de test para no perder segundos valiosos por cada paso.

Tiempos de incremento (rise time) y de asentamiento (settling time)

Cuando haces un cambio programado de tensión en una fuente DC, te interesa cuánto tarda en alcanzar el valor pedido y cuánto en estabilizarse dentro de un margen. El tiempo de incremento se define típicamente del 10% al 90% del valor final. Es una medida de agilidad del canal, útil para saber si el sistema sigue el ritmo de tus pruebas.

El tiempo de asentamiento incluye ese ascenso pero añade el tiempo que tarda la salida en quedarse dentro de una tolerancia concreta (por ejemplo, ±0,1% o la que defina la hoja de datos). Es el indicador clave para saber cuándo tu lectura será fiable. Si haces medidas en cascada con cambios de consigna rápidos, tendrás que presupuestar este tiempo en tus scripts o en la secuencia del ATE.

Para visualizar ambos tiempos, configura el osciloscopio para capturar desde el evento que dispara el cambio (p. ej., la señal de control o un marcador digital) y la salida de tensión. Una escala temporal que te deje ver el 10%-90% y la ventana de tolerancia es imprescindible. Ajusta también el ancho de banda y los filtros para que la medición represente lo que la hoja de datos evalúa.

Condiciones de medida: carga, tensión de entrada y filtros externos

No todas las cifras que obtengas valen por igual. La ondulación depende de la carga y también de la tensión de entrada de la que parte la fuente; factores como potencia reactiva y corriente reactiva pueden influir. Mide en todas las tensiones de entrada relevantes para tu aplicación y, si vas a comparar con especificaciones, usa la condición de carga indicada (a menudo, carga máxima).

Colocar condensadores de medida en la salida ayuda a estandarizar la prueba entre laboratorios. La práctica habitual es añadir un electrolítico de unos 10 μF en paralelo con un cerámico de 0,1 μF en el punto de salida y poner la sonda junto a ellos. Esto reduce la impedancia local y acota el entorno de medida para que refleje fielmente el PARD de la fuente.

En cuanto al cableado, intenta utilizar conductores cortos y, cuando puedas, par trenzado apantallado para las líneas sensibles. Reducir el área de los bucles y blindar los cables disminuye la captación de ruido ambiental, que se sumaría al observado en el osciloscopio si no lo cuidas.

Aislamiento y bucles de tierra: cuando conviene «romper» conexiones

El aislamiento eléctrico separa físicamente las referencias de distintos canales o equipos, eliminando trayectorias inesperadas a tierra. Al aislar canales rompes bucles de tierra, amplías el rango de modo común y eliges una única tierra de sistema como referencia real. Esto simplifica las medidas y reduce sorpresas por corrientes parásitas.

En fuentes programables, lo más habitual es el aislamiento entre canales: cada salida tiene su propia fuente aislada y no comparte tierra con las demás ni con otros módulos no aislados del sistema. Si piensas escalar salidas en serie o paralelo para ampliar rango de tensión/corriente, el aislamiento entre canales es clave, y conviene revisar cómo afecta a la regulación de línea y carga en configuraciones en cascada.

Errores típicos que contaminan la medida (y cómo evitarlos)

Usar la pinza de cocodrilo larga de la sonda para la masa es probablemente el fallo número uno. Ese cable crea un bucle enorme con inductancia apreciable, y verás picos que no son de tu fuente sino de tu montaje. Solución: muelle de masa o técnica de punta y barril, con el punto de masa pegado al de medida de tensión.

Otro clásico es medir «donde pille», lejos del punto de regulación. Si tomas la tensión en el extremo de un cable, aparecerá un offset DC entre los estados de carga por la caída en el conductor. Para ver la respuesta de la fuente, mide en las patillas de salida o en el punto de sense/regulación. Así no confundes caída en el cable con desvío de control.

Olvidar limitar el ancho de banda a 20 MHz cuando el fabricante así lo especifica también desvirtúa la medida: recoge HF que no forma parte de la cifra de PARD publicada. Activa el filtro de 20 MHz y alinea tu metodología con la de la hoja de datos si quieres números comparables.

Por último, no descuides las condiciones de carga y los condensadores de salida especificados para la prueba. El rizado cambia con la carga, y los condensadores externos estandarizan el entorno de medida. Si no replicas estas condiciones, obtendrás cifras que no encajan con la tabla del fabricante, sin que la fuente tenga culpa.

Checklist esencial para tu banco de pruebas

Si quieres una lista rápida para no dejarte nada, aquí va una compacta: útil para repasar antes de capturar la forma de onda y evitar repetir la sesión.

• Sonda con lazo de masa mínimo (punta y barril o muelle de masa corto).
• Condiciones de carga e input iguales a las de tu aplicación o a la hoja de datos.
• Condensadores de medida en salida: ~10 μF electrolítico + 0,1 μF cerámico.
• Ancho de banda del canal limitado a 20 MHz para PARD.
• Acoplamiento AC para observar ripple; DC cuando analices offset y regulación.
• Segundo canal de corriente o señal síncrona en transitorios de carga.
• Cables cortos y, si procede, par trenzado apantallado en líneas sensibles.

Con todo lo anterior bien atado, los resultados que saques del osciloscopio representarán la realidad de tu fuente y no la de tu «antena» accidental hecha de puntas y cables. La diferencia entre una gráfica ruidosa y una medición limpia suele ser la técnica de sondeo, no la fuente de alimentación en sí.

Medir rizado, ruido, transitorios y tiempos de respuesta exige disciplina y método. Minimiza el lazo de masa, mide en el punto correcto, respeta 20 MHz y replica las condiciones de la hoja de datos. Con dos canales (tensión y corriente/síncrono) verás claro cómo responde la fuente a los escalones de carga, cuánto tarda en asentarse y si el control cumple. Si además te preocupas por el aislamiento y los bucles de tierra en montajes complejos, tus medidas ganarán fiabilidad y podrás comparar números con criterio entre equipos y laboratorios.