Las fuentes de alimentación de CA/CC externas ofrecen una amplia gama de opciones y rentabilidad

Como un entusiasta recién graduado en ingeniería de fabricación, uno de mis primeros trabajos fue asistir a un ingeniero sénior en el diseño de una fuente de alimentación conmutada CA/CC para un controlador industrial proporcional integral derivado (PID) de gama alta. Mi "ayuda" consistió sobre todo en reponer las tazas de café y buscar componentes para el tablero de prueba. Sin embargo, fue un mentor paciente y con muchos conocimientos, y en pocas semanas aprendí más sobre el diseño de una fuente de alimentación desde cero que en todo un semestre en la universidad.

Después, incluso logré desarrollar uno o dos diseños propios de fuentes de alimentación conmutadas, aunque basados en arquitecturas tomadas prestadas (con permiso) del ingeniero sénior.

Unos años después, la empresa para la que trabajaba consideró que resultaba más rentable comprar fuentes de alimentación modulares de CA/CC a un proveedor comercial en lugar de diseñar las propias. El resultado fue un poco menos divertido para los diseñadores, pero nuestra experiencia siguió siendo vital para asegurarnos de seleccionar la mejor solución comercial que cumpliera las especificaciones de nuestro producto.

Adaptación de una fuente de alimentación a la aplicación

El conocimiento de parámetros de ingeniería como la eficiencia, la corriente de irrupción de entrada, el rizado y el ruido, y el voltaje de sobreimpulso de arranque nos permitió probar y verificar las soluciones comerciales para asegurarnos de que se ajustaban a las demandas de potencia de los controladores PID industriales, y ofrecían una regulación adecuada y un tiempo medio entre fallos (MTBF) prolongado.

Sin embargo, adaptar una solución comercial a las especificaciones del producto de la aplicación no era tan sencillo como parecía porque, en aquel entonces, la gama de soluciones de cada proveedor solía limitarse a unas pocas variantes. Además, las limitaciones presupuestarias hacían que la oferta fuera aún menor. A menudo, esto significaba tener que elegir una fuente de alimentación que funcionara razonablemente bien, pero que por lo general representaba un compromiso.

Por ejemplo, en ocasiones nos encontrábamos con una fuente de alimentación comercial que, si bien satisfacía adecuadamente las demandas de corriente y voltaje de nuestros controladores, a menudo funcionaba fuera de su rango de salida más eficiente, especialmente con cargas bajas. El resultado era una disipación de energía adicional y problemas de gestión térmica de los que podríamos haber prescindido.

Ampliar el rango

El mundo de las fuentes de alimentación modulares ha mejorado en las décadas que han transcurrido desde que hice mis primeros diseños rudimentarios. Ahora, la oferta de soluciones comerciales es impresionante, y los rangos no se restringen cuando los presupuestos son ajustados.

Tomemos, por ejemplo, la línea de fuentes de alimentación CA/CC industriales de TRACO Power. La empresa ha añadido cuatro nuevos niveles de potencia a su ya amplia Serie TXN. Las unidades tienen ahora salidas de 35, 200, 350 u 800 vatios, y pueden especificarse para cada nivel de potencia con un voltaje de salida de 12, 15, 24 o 48 voltios. Para la versión de 35 vatios, también hay opciones de 3,3 y 5 voltios disponibles. Ejemplos de la gama de productos incluyen el TXN 35-124, una fuente de alimentación CA/CC de 35 vatios y 24 voltios; el TXN 200-124 de 200 vatios y 24 voltios; el TXN 350-115 de 350 vatios y 15 voltios (Figura 1), y el TXN 800-148 de 800 vatios y 48 voltios.

Figura 1: La fuente de alimentación TXN 350-115 de 350 vatios produce 15 voltios CC a partir de una entrada de CA de 90 a 260 voltios. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Las fuentes de alimentación están alojadas en marcos metálicos y utilizan conectores de bloque de terminales de tornillo. Son la serie de productos CA/CC encapsulados más rentable que ofrece la empresa. Entre sus características se incluyen un aislamiento de E/S reforzado de 3000 voltios CA (VCA), un filtro interno EN55032 de clase B para reducir las emisiones conducidas y radiadas, corrección activa del factor de potencia (PFC) por encima de 100 vatios, certificaciones de seguridad IEC/EN/UL 62368-1 y cumplimiento de la norma EN 61000-3-2 de compatibilidad electromagnética (CEM). Las unidades disponen incluso de un ventilador interno para refrigeración forzada.

Rendimiento a un precio competitivo

Sin embargo, la rentabilidad de la serie TRACO Power TXN no se ha reflejado en un menor rendimiento. Por ejemplo, el TXN 350-115 tiene un rango de entrada de 90 a 260 VCA y un rango de temperatura de funcionamiento de -30 a 70 ˚C. Suministra un voltaje de salida nominal ajustable (V_out(nom)) entre 13.5 y 15.5 voltios con una corriente de salida máxima (I_out(max)) de 22 amperios (A) para una potencia de salida máxima de 330 vatios.

Para una entrada de 230 voltios, el PFC activo es de 0.95. La precisión del ajuste de voltaje es de ±1%, la regulación varía en un 1% con una variación de carga del 10 al 90%, y la ondulación de voltaje de salida tiene un máximo de 150 milivoltios pico a pico (mV_p-p) (Figura 2). La fuente de alimentación cuenta con una limitación de corriente de salida del 110 al 160% de I_out(max) y una protección contra sobretensión del 110 al 140% de V_out(nom). El MTBF es de 230,600 horas.

Figura 2: El TXN 350-115 presenta una ondulación máxima de voltaje de salida de 150 mVp-p, lo que ayuda a mitigar los desafíos de compatibilidad electromagnética (EMC). (Fuente de la imagen: TRACO Power)

La curva de eficiencia plana de las unidades TRACO Power ayuda a mitigar los desafíos de temperatura y disipación de energía que enfrenté en mis días más jóvenes cuando usaba fuentes de alimentación menores. Incluso con una carga relativamente baja, en torno al 20%, la TXN 350-115 presenta una eficiencia superior al 75% (Figura 3).

Figura 3: El TXN 350-115 muestra una eficiencia superior al 75% para cargas superiores al 20%. Esto ayuda a reducir los desafíos de disipación de energía. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Conclusión

Si bien disfruté diseñando una fuente de alimentación industrial CA/CC desde cero, las soluciones estándar ahorran tiempo de proyecto y permiten a los equipos de ingeniería centrarse en otros aspectos del producto final. Además, la variedad de fuentes de alimentación actuales es tal que es posible encontrar una solución que se acerque mucho al rendimiento y la eficiencia óptimos para prácticamente cualquier aplicación.