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Diseño de fuentes de alimentación de CA-CC y CC-CC fuera de línea.

El diseño de fuentes de alimentación que proporcionan suministro eléctrico independiente de "la red" tiene múltiples desafíos. Estas preguntas frecuentes deberían responder muchas de sus dudas.

¿Qué son los suministros fuera de línea?

Los voltajes de alimentación de CA en todo el mundo pueden variar de 100 a 240 V. Para permitir transitorios (caídas de tensión) y sobretensiones, los suministros de CA fuera de línea destinados a una entrada universal tienen un rango de 85 a 165 V. La frecuencia de CA varía de 50 Hz en la mayor parte del mundo a 60 Hz en los EE. UU. Hay algunos sistemas de 400 Hz, pero la mayoría son de aviones, no de suministro domiciliario. Los voltajes industriales comunes fuera de línea son 208, 240 y 440 en los EE. UU., y 380, 400 y 415 V CA en Europa. La energía residencial tiende a ser monofásica, mientras que la energía fuera de línea industrial suele ser trifásica, quizás con un retorno neutro.

La necesidad de alimentar la iluminación LED y otras cargas de CC ha dado como resultado voltajes de línea de CC en edificios comerciales y residenciales, generalmente de 24 V CC. Estos requieren un convertidor CC-CC, que es un tipo de regulador de voltaje de conmutación. Las plantas de energía y las instalaciones industriales a menudo usan CC de alto voltaje, generalmente de 120 a 330 V CC, ya que no siempre pueden depender de la alimentación de CA externa. Este voltaje de CC con frecuencia está respaldado con baterías.

¿Cuáles son las especificaciones fundamentales de un suministro fuera de línea?

El rango de voltaje de entrada y el voltaje o voltajes de salida para un suministro de salida múltiple son una especificación básica. Existe una especificación de regulación de línea que relaciona el cambio en el voltaje de salida con el cambio en el voltaje de entrada. Hay una especificación de regulación de carga que relaciona el cambio de voltaje a medida que aumenta la carga. Otra especificación fundamental es la eficiencia del suministro: la cantidad de potencia de entrada relacionada con la potencia de salida. Esto cambia con la carga y empeora con cargas bajas y altas.

La respuesta a los transitorios del suministro de energía es otra especificación importante. Describe qué tan rápido responde el suministro de energía a un aumento repentino de carga. También podría especificar el nivel de pico con una eliminación repentina de la carga. También puede haber una especificación que requiera que el suministro funcione con carga cero. Muchos dispositivos conmutados necesitan algo de carga para regular adecuadamente.

La especificación de ondulación (rizado, algunas veces llamado fluctuación o ripple (del inglés)) de un suministro fuera de línea caracteriza los pequeños cambios en el voltaje de salida que son periódicos, como por ejemplo 60 Hz o en la frecuencia de conmutación. La especificación de ruido se relaciona con voltaje involuntario o alteraciones de corriente en la salida. A menudo se indica como un voltaje RMS, en microvoltios o milivoltios, pero es más útil cuando se muestra en un gráfico del espectro de ruido sobre la frecuencia. Los amplificadores y otros chips analógicos son mucho más sensibles al ruido de alta frecuencia, por lo que conocer el ancho de banda de frecuencia donde hay ruido de la fuente de alimentación lo ayudará a hacer un mejor diseño. Este ruido de salida no está necesariamente relacionado con el ruido irradiado por el suministro eléctrico.

¿Qué es la corrección del factor de potencia (PFC)?

Algunos estándares requieren que su suministro de CA fuera de línea tenga corrección de factor de potencia. El PFC asegura de que la corriente de entrada a la fuente de alimentación sea una sinusoide que esté en fase con el voltaje de entrada. Sin un circuito especial, los suministros fuera de línea generarán un pico de corriente cuando el voltaje de línea suministrado alcance sus picos positivo y negativo.

¿Qué características de protección se podrían diseñar?

La protección de corriente de arranque (también corriente de sobrecarga de entrada o la sobretensión de encendido) reduce la sobretensión de encendido cuando conecta el suministro a la fuente. Los circuitos PFC pueden hacer esto como parte de su función. Tal es el caso también de los circuitos de arranque suave. La limitación de la corriente de salida protege el suministro contra cortocircuitos y sobretensiones. Puede diseñar el suministro para limitar la corriente al máximo a medida que cae el voltaje, o puede hacer una protección por corriente recurrente, donde la corriente cae a un valor bajo hasta que retire la carga.

Debe considerar la protección de temperatura. Por lo tanto, si el suministro se calienta demasiado, limitará la corriente o se apagará. Puede considerar la protección por sobretensión de entrada, así como el bloqueo de subtensión (UVLO), donde el suministro no funcionará si el voltaje de entrada es demasiado bajo.

¿Qué comunicación debe tener el suministro?

Se espera que algunos suministros funcionen sin funciones de comunicación. Al menos, se desea una señal lógica de "buena potencia" que indique cuando el suministro esté funcionando. También puede incluir en su diseño varias salidas de señal de falla. Para una comunicación digital completa, existe el estándar abierto PMBus, que le permite controlar el suministro y evaluar la información del mismo. Un suministro de laboratorio podría tener estándares de comunicacion IEEE 488, RS-232 o incluso Ethernet. No hay duda de que pronto llegará una fuente de alimentación fuera de línea controlada por Wi-Fi.

 

¿Cómo aumento la eficiencia?

La mayor mejora de eficiencia se obtiene de un suministro lineal a un conmutador. Todavía hay un lugar para suministros lineales, como fuentes de alimentación de laboratorio y para alimentación de audio de alta gama. La mayoría de los suministros sin conexión ahora son del tipo de conmutación. En general, un inductor o transformador más grande puede proporcionar una mejor eficiencia, al igual que los conductores de cobre más gruesos y los transistores, diodos y condensadores de mayor costo. Las arquitecturas más complejas, como la conmutación de voltaje cero y de corriente cero, así como las topologías resonantes en serie pueden mejorar la eficiencia.

Mientras que el 85% de eficiencia era un valor típico alcanzado hace años, ahora las eficiencias oscilan entre el 90% y más, aunque no en todas las cargas. Por eso es importante dimensionar la salida del suministro a la carga. Todos los suministros necesitan una corriente de reposo solo para hacer funcionar los circuitos de control y hacer conmutar los transistores. A medida que cae la corriente de salida, la corriente de reposo se convierte en una mayor parte de la corriente de entrada y, por definición, reduce la eficiencia de la fuente de alimentación. Si usted puede eliminar los ventiladores de enfriamiento, esto también mejorará la eficiencia: la potencia del ventilador es una forma de corriente de reposo.

¿Puedo hacer teledetección?

Muchas veces, se desea controlar el voltaje de la fuente de alimentación en la carga, después de que haya circulado a través de largos cables para llegar a la carga. Las líneas de detección largas pueden causar problemas si se extienden a longitudes que hacen que el suministro se vuelva inestable. Las líneas de detección largas también son proclives a recibir ruido ambiental que luego llega a los circuitos de detección de la fuente de alimentación, lo que afectará el voltaje de salida.

¿Cómo aumento la fiabilidad de mi suministro eléctrico?

Una forma es quitar el ventilador. Los otros componentes de baja confiabilidad son los condensadores electrolíticos y de tantalio, y potenciómetros. La poca fiabilidad de los condensadores electrolíticos de la fuente de alimentación reducirá la fiabilidad de todos los demás componentes, incluso en un sistema grande. Si no puede deshacerse de ellos, entonces sobrediseñe, colocando rangos de voltaje mucho más altos de lo necesario. Además, la temperatura empeora la pobre confiabilidad. Si puede usar condensadores de bajo ESR y reducir las corrientes de ondulación que tienen que transportar, disminuirá el autocalentamiento de los condensadores.

El tiempo medio entre fallas (TMEF) es un cálculo realizado al sumar la confiabilidad estadística de todas las partes de su sistema. Puede hacerlo bajo un estándar militar, MIL-HDBK-217F Notice 2, o el estándar Telcordia SR / TR-332 (Bellcore) que evolucionó para la industria de las telecomunicaciones.

Hay tablas de confiabilidad de componentes que se utiliza para cada estándar. Se le permite una mayor confiabilidad si sus condensadores electrolíticos funcionan a un voltaje inferior al nominal y a una temperatura más baja. Alternativamente, ciertos cálculos del ciclo de vida estiman la vida útil de los condensadores electrolíticos en función de su aumento de temperatura a la temperatura máxima de funcionamiento.

¿Qué es la regulación cruzada de salidas múltiples?

Muchas fuentes de alimentación con múltiples salidas solo regulan un voltaje de salida, como por ejemplo 5 V, y utilizan un diseño de circuito para generar voltajes secundarios razonablemente constantes como ± 15 V. Esto significa que si se extrae mucha corriente de la salida de 5 V, ésto hará cambiar las salidas de ± 15 V Si necesita múltiples voltajes precisos, es posible que deba usar suministros separados o post-regular las salidas secundarias con otro regulador lineal o de conmutación. Para voltajes muy precisos, puede realizar una regulación posterior con un circuito integrado regulador de voltaje.

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Glosario Inglés-Español de términos técnicos relacionados:

Input-current inrush protection : protección de corriente de arranque (también corriente de sobrecarga de entrada o la sobretensión de encendido)
Linear supply : alimentación lineal
Low ESR (Equivalent Series Resistance) capacitors : condensador de baja resistencia en serie equivalente
Mean time between failure (MTBF): tiempo medio entre fallas (TMEF)
Noise : ruido
Offline supply : suministro eléctrico independiente de "la red"
Power factor correction (PFC) : corrección del factor de potencia
Quiescent current : corriente de reposo
Remote sensing : teledección, detección a distancia, sensado remoto
Ripple : rizado, algunas veces llamado fluctuación o ripple (del inglés)
RMS voltage : voltaje cuadrático medio, valor eficaz
Switching power supply : fuente de alimentación conmutada
The Power Management Bus (PMBus) : Bus de Administración de Energía (PMBus) (1)
Transient : transitorio
Undervoltage lockout (UVLO): bloqueo de subtensión
Voltage-reference IC:  regulador de tensión
Zero-current switching : Conmutación de cero corriente
Zero-voltage switching (ZVS): Conmutación de cero voltaje

 

(1) El bus de administración de energía (PMBus) es un protocolo de administración de energía estándar abierto. Este estándar flexible y altamente versátil permite la comunicación entre dispositivos basados en tecnologías analógicas y digitales, y proporciona una verdadera interoperabilidad, lo que reducirá la complejidad del diseño y acortará el tiempo de comercialización para los diseñadores de sistemas de energía.

 

 


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