Artículo técnico: Criterios para seleccionar una fuente de alimentación

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Como saben todos los clientes de Grupo Elektra, la fuente de alimentación es el sistema que transmite la electricidad a los dispositivos eléctricos y electrónicos. En el artículo técnico de hoy, nuestro compañero Esteban García, Responsable del área de Automatización Industrial de Grupo Elektra, nos ilustra sobre las variables que debemos tener en cuenta a la hora de elegir la fuente de alimentación ideal para nuestro proyecto.

1. ¿Qué es una fuente de alimentación?

El principal objetivo de una fuente de alimentación es suministrar un valor de tensión adecuado para el funcionamiento del dispositivo al que queremos alimentar.

La fuente de alimentación se encarga de convertir la entrada de tensión alterna de la red en una tensión continua y consta de varias etapas entre las que podemos mencionar: Transformación, rectificación, filtrado y regulación.

Dependiendo del tipo de fuente o su construcción puede que no tenga alguna de las etapas descritas.

2. ¿Qué tipos de fuente de alimentación existen?

Existen diferentes tipos de fuentes de alimentación atendiendo a su construcción. Principalmente vamos a ver dos grandes grupos:

2.1. Rectificada y filtrada

Imagen para el artículo técnico de Grupo Elektra

Este sería el tipo de fuente más básica, y con la tecnología más antigua. Básicamente se componen de la etapa de transformación, etapa de rectificación y etapa de filtrado.

Destacaríamos las siguientes características:

  • Tecnología basada en transformadores de 50/60 Hz.
  • Sin regulación.
  • La protección contra sobrecarga de salida no siempre está incluida.

Como beneficios:

  • Sin radiación electromagnética (CEM).
  • Alta confiabilidad debido a componentes mínimos.

Como desventaja:

  • Grandes dimensiones a mismas prestaciones que una fuente regulada conmutada.

2.2. Regulada

Son fuentes de alimentación que pueden ajustar la tensión de su salida, dentro de este grupo podemos encontrar dos clases: Regulador lineal y Conmutadas.

2.2.1. Regulador lineal

Regulador lineal: se basa en dispositivos electrónicos que permiten controlar la tensión de salida ajustando continuamente la caída de tensión en un transistor de potencia conectado en serie entre la entrada y la salida. Es decir que operan con una corriente continua, donde el nivel de tensión a la entrada siempre debe ser superior al de salida.

Ventajas:

  • Simplicidad de diseño, debido a que utilizan pocos componentes.
  • Para potencias menores de 10W, el coste de los componentes es relativamente bajo

Desventajas:

  • Baja eficiencia: los reguladores lineales poseen una eficiencia del orden entre el 30% y 60% como rango general.
  • Disipación de calor: debido a su baja eficiencia el resto de la energía que no se convierte se disipa en forma de calor.

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2.2.2. Fuentes conmutadas

Las fuentes conmutadas: prácticamente han suplantado en el mercado a las fuentes de alimentación lineales convencionales y actualmente representan el grupo de fuentes de alimentación más extendido.

Alguna de sus ventajas respecto a las fuentes de alimentación lineales serían: menor tamaño, menor peso, mayor nivel de eficiencia y rendimiento, así como generalmente un menor coste.

La desventaja es el nivel de complejidad de la construcción, así como un mayor nivel de interferencias electromagnéticas generadas por la fuente de alimentación y aumento del nivel de interferencias de salida.

Atendiendo a su diseño podemos encontrar dos maneras de:

2.2.3. Fuentes de alimentación conmutadas en secundario

El suministro de la red va conectado directamente al primario del transformador de 50 Hz o 60Hz. En el secundario de este se procede con la rectificación y el filtrado: la corriente pasa, a través de un transistor, donde es troceada mediante pulsos al circuito de filtro y de almacenamiento a la salida.

2.2.4. Fuentes de alimentación conmutadas en primario

Primero se rectifica y filtra la tensión de red no estabilizada. La tensión en el circuito intermedio a partir de una red de 230 VAC nos queda una tensión aproximada de 320 VDC.

Desde esta tensión continua se alimenta entonces un convertidor asimétrico, que transmite la energía del primario al secundario a través de un transformador de alta frecuencia, con una elevada frecuencia de conmutación y con ayuda de un regulador de ancho de impulsos PWM.

El hecho de conmutar en el secundario hace que se necesiten transformadores de tamaño más pequeño, haciendo que sean fuentes más compactas.

Ventajas:

  • Componentes magnéticos pequeños (transformador, bobina, filtro) como consecuencia de trabajar a alta frecuencia.
  • Alto rendimiento por la regulación de ancho de impulsos
  • Equipos compactos
  • Hasta el orden de kW generalmente no se requiere refrigeración forzada
  • Elevados tiempos de almacenamiento en caso de fallo de red aumentando la capacidad del circuito intermedio
  • Amplio rango de tensión de entrada

Desventajas:

  • Circuito muy complejo, muchos componentes activos
  • Necesidad de una supresión de perturbaciones compleja

3. Criterios de selección de fuentes de alimentación

3.1. Tensión de entrada

Este parámetro viene determinado por la ubicación de nuestra aplicación, país y tipo de suministro eléctrico de la instalación. En este parámetro veremos características tipo de tensión (AC/DC), valor de la tensión, número de fases (monofásica, bifásica, trifásica), frecuencia.

Cosas que se pueden tener en cuenta a la hora de seleccionar la fuente de alimentación es que a ser posible disponga de un amplio rango de entrada. Esta característica nos puede ayudar a simplificar el hecho de exportar ya que no necesitaremos diferentes fuentes dependiendo del país destino, sino que con una fuente de podríamos cubrir diferentes necesidades.

En caso disponer de un amplio rango de entrada es deseable que la fuente disponga de autodetección y no se tenga que realizar mediante dips o conmutaciones de manera que evite los fallos de manipulación a la hora de seleccionar el tipo de tensión que admite la fuente de alimentación.

3.2. Tensión y corriente de salida

Principalmente vendrá definida por la necesidad de la aplicación. Como regla general se suele sobredimensionar un 20% sobre la intensidad nominal del sistema.

También debe considerarse el comportamiento de la carga en todo su ciclo: por ejemplo, en caso de ser un motor tendrá picos de breves de arrancada en el momento de iniciar la marcha otro ejemplo sería una carga capacitiva que al iniciar la carga si se encuentra totalmente descargada también genera un gran pico de consumo al inicio de su carga. Para evitar tener que sobredimensionar las fuentes considerando este pico de arrancada como si fuera la intensidad nominal del sistema existen fuentes de alimentación que permiten picos de corriente superior a su Intensidad nominal durante un periodo de tiempo determinado esta característica suele denominarse Boost, Powerboost, Extra power…etc.

Otra consideración a tener en cuenta a la hora de seleccionar la fuente o el circuito de alimentación de nuestra aplicación es la caída de tensión en caso de que pudiera darse dicho efecto provocado, por ejemplo, por una distancia larga entre la fuente y la carga. En ese caso es interesante saber si tenemos un rango de salida para compensar esa caída, aunque lo recomendable sería valorar la posibilidad de poner un conversor DC/DC al lado de la carga para asegurar la tensión adecuada.

En lo que se refiere a aumentar el valor de la corriente, podemos decir que una opción que se usa algunas veces, es poner dos fuentes en paralelo para aumentar la corriente soportada. Actualmente existen fuentes que pueden realizar dicha función sin la necesidad de poner semiconductores como los diodos a su salida, indicando a la fuente que se encuentran en una instalación en paralelo y llegando ellas misma a ajustar su salida, para que sea la misma en las dos fuentes. Disponer de esta posibilidad facilita el cableado y ahorra tiempo a la hora de instalar dichas fuentes, además de ahorrar espacio en cuadro de control por necesitar menos elementos. También se usa este tipo de montaje para disponer de redundancia de fuentes no solamente para aumentar la disponibilidad de la corriente.

3.3. Eficiencia

La eficiencia en la fuente de alimentación es la relación entre lo que consume en su entrada y lo que entrega a su salida, valores a partir del 85-90% sería lo recomendable. Este aspecto tiene que ver con la tecnología con la que está fabricada la fuente, pero tener este dato a la hora de seleccionar nuestra fuente hará que sea posible diseñar sistemas más eficientes.

3.4. Tipo de carcasas y dimensiones

Por un lado, la necesidad de protegerla electrónica frente a agresiones externas, nos determinará la necesidad de una carcasa estándar: IP 25,45, 67… y de otras medidas como que resista o no por ejemplo vibraciones o impactos 1G, 2G…etc.

Además, se ha de valorar la necesidad del espacio para instalarla no solamente las dimensiones que ocupa sino las que necesita es decir la necesidad o no de espacio entre los diferentes elementos para permitir su ventilación. Son características a valorar a la hora de seleccionar una fuente y como impacta en el panel de control.

Así mismo la necesidad o no de elementos adicionales para instalarlo en el fondo de panel o directamente en carril din.

3.5. Temperatura ambiente

La temperatura ambiente a la que vamos a tener a la fuente de alimentación en la mayoría de las aplicaciones pudiera no ser un dato relevante, pero hemos de tener en cuenta que a partir de ciertas temperaturas la corriente que suministra una fuente de alimentación se ve disminuida o reducida en un porcentaje que determina el fabricante en su ficha técnica por lo que hemos de tener en cuenta que la temperatura ambiente no este desclasificando nuestra fuente de alimentación.

3.6. Certificaciones y estándares

Depende del país donde se utilice la máquina/aplicación donde se vaya a instalar la fuente de alimentación, también de la aplicación diferenciando su uso en industrial, comercial, electrodomésticos…etc.

Por nombrar algunas de las normas que podemos encontrar a la hora de comprobar certificaciones de fuentes de alimentación:

Emisiones de corriente armónicas, Norma de emisiones electromagnéticas, Normas de seguridad, Normas navales, certificaciones ATEX, UL, CSA…etc.

3.7. Continuidad de servicio

Las caídas de tensión pueden causar efectos desagradables: interrumpir los procesos de producción, causar tiempos de inactividad y requerir un reajuste del sistema. Incluso pueden causar pérdida de datos y daños en las máquinas.

Ante fallos en la parte de suministro de la red, bien por microcortes o cortes más largos, disponemos diferentes opciones dependiendo de la duración de ausencia de la red:

  • Menos de 20 ms → Fuentes de alimentación con reserva de potencia que pueden soportar la presencia de estos microcortes en su entrada sin que se vea afectada la salida.
  • Entre 20 ms y 1000 ms → Módulo Buffer que permite realizar una desconexión controlada por ejemplo o suplir dicho hueco.
  • Más de 1 s → Módulo de baterías o UPS con Baterías que nos permite tener alimentado el sistema hasta 1 hora o más dependiendo de la carga del mismo.

Otro defecto indeseado es una sobrecarga o cortocircuito y tanto si la fuente dispone de una o varias bornas de salida o salidas independientes, una característica que dispone las fuentes más avanzadas es que disponen de módulos de selectividad o también podemos capacitar a la instalación de módulos de selectividad en relés electrónicos de protección conocidos como fusibles electrónicos de manera que la salida o las salidas estén protegidas frente a cortocircuitos o sobrecorrientes de manera independiente, de manera que ante dicho evento no se caiga toda la alimentación sino solamente la línea que ha producido dicho evento.

Aunque no tiene que ver con la continuidad de servicio eléctrico, pero sí que se puede ver comprometida, sería evitar una desconexión o punto caliente en la instalación por perdida en el par de apriete de las bornas de conexión es por ello que las bornas tipo resorte son las adecuadas para aquellas instalaciones que tienen vibraciones ya que no va a perder el par de apriete a pesar de dichas vibraciones y no requerirá de campaña de reapriete en el mantenimiento.

3.8. Diagnosis

Es la capacidad de informar del estado de la fuente de manera sencilla y entendible para el operador: suele ser mediante leds, relés de aviso de avería, displays e incluso comunicación mediante protocolos con HMIs o sistemas de supervisión. Esta ultima opción es la más versátil ya que mediante el protocolo podemos tener no solamente la posibilidad de encender y apagar la fuente, conocer el estado de la salida, horas de uso, históricos, sino que incluso algunos modelos permiten parametrizar las salidas de las fuentes.

3.9. Protección

En el caso de la fuente tenemos que analizar diferentes tipos de protecciones ambientales y mecánicas, y ante problemas eléctricos.

Una de las protecciones que hemos de tener en cuenta en relación con el ambiente es la que no solamente por encontrarse en ambientes corrosivos sino que por ejemplo la existencia de partículas en suspensión, pueden entrar en la fuente y suponer un problema causando una avería indeseada. Por este motivo existen fuentes que la placa de su circuito PCB vienen protegidos mediante un barniz dotando a la fuente de una mayor protección medio ambiental.

3.9.1. La protección de la carga frente a sobrecorriente y cortocircuito

En las fuentes conmutadas se dispone de esta protección por su propia construcción. Pero un fallo en una línea que haga que se produzca un apagado general de la fuente, aunque se reinicie automáticamente puede no ser el comportamiento deseado. Es por ello que se valora muy positivamente que la fuente disponga de módulos de selectividad o en su defecto instalar fusibles electrónicos. Este tipo de solución por su comportamiento frente a picos de demanda o aumentos lineales de consumo los hace más adecuado que el uso que se venía haciendo mediante PIAS.

Si atendemos a la entrada de la fuente, al ser un equipo que se conecta a la red eléctrica ha de ser segura, para las personas y los bienes donde se instalan, frente a sobretensiones que se provoquen por efectos atmosféricos o anomalías en la red. Es necesario conocer la categoría OVC de nuestro equipo para ver como y donde se puede instalar así como que protección necesita. La protección frente a sobretensiones se utiliza para los dispositivos alimentados a baja tensión, es decir son alimentados a tensiones <1000VCA.

La categoría frente a sobretensiones se denomina OVC (Over Voltage Category) y consiste en una clasificación de los dispositivos frente a sobretensiones producidas por perturbaciones eléctricas (red inestable, rayos, etc.) y determinar en qué lugar pueden instalarse de acuerdo a el estándar IEC 60664- 1: Coordinación de aislamiento de los equipos en los sistemas (redes) de baja tensión o la guía de instalación ITC BT23 del REBT

3.9.2. Principios, requisitos y ensayos

Los equipos con categoría de protección frente a sobretensiones de categoría I son equipos para conectar en circuitos en los que se han tomado medidas para limitar las sobretensiones a un bajo nivel. Estas medidas deben asegurar que cualquier posible sobretensión temporal no pueda superar los límites de la tabla de dicha norma. Estos equipos no se pueden conectar directamente a la red eléctrica.

Los equipos de categoría II son equipos que van en instalaciones fijas. Normalmente electrodomésticos, equipos portátiles y dispositivos similares. Estos equipos están conectados a una toma convencional de una vivienda o fábrica. Si estos equipos necesitan medidas especiales en cuando a fiabilidad o disponibilidad tendrán que ser de categoría III.

Los equipos de categoría III pueden ir instalados en instalaciones fijas con requisitos especiales de fiabilidad o disponibilidad o directamente en un cuadro de distribución, es decir, no conectados directamente a una toma de red convencional si no dentro un cuadro eléctrico.

Los equipos de categoría IV van en el origen de la instalación eléctrica. Las aplicaciones típicas son los contadores eléctricos, equipos de protección…

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3.9.3. Aplicaciones para fuentes con OVC III

Con la creciente demanda de la industria 4.0, y el uso de equipos como los robots, algunos equipos de control para robótica necesitan cumplir con la norma IEC60204- 1 (Seguridad de las máquinas. Equipo Eléctrico de las máquinas) y necesitan un transformador de aislamiento adicional entre la red eléctrica y la fuente de alimentación conectada. Si la fuente ya cumple con la categoría III de protección frente a sobretensiones (OVC III) podemos eliminar dicho transformador y seguir cumpliendo con la IEC60204-1. Esto nos permite reducir el espacio, peso y coste del sistema al requerir menos componentes. Otra aplicación para fuentes de categoría OVC III es para el uso de equipos industriales permanentemente conectados en instalaciones fijas.

Hay otras normativas y estándares que exigen cumplir con la categoría III para diferentes aplicaciones, como pueden ser:

  • IEC/EN50178 Equipo electrónico para uso en instalaciones de potencia.
  • IEC 60204-1 Seguridad de las máquinas. Equipo eléctrico de las máquinas.
  • IEC 62103 Equipo electrónico para instalaciones de potencia.
  • IEC/EN62477-1 Requisitos de seguridad para sistemas y equipos de conversión de potencia de semiconductores. Parte 1: Generalidades.

Todo lo que hemos expuesto en el documento sería las principales condiciones a tener en cuenta dependiendo de la aplicación donde pensemos implementar la fuente de alimentación.