Cumplimiento rentable de las normas internacionales con fuentes de alimentación CA/CC montadas en placa

Las fuentes de alimentación CA/CC montadas en placa de 3 a 20 vatios se utilizan en una variedad cada vez mayor de aplicaciones, como el Internet de las cosas (IoT) y el IoT industrial (IIoT), la Industria 4.0, la automatización industrial, los equipos audiovisuales, los equipos de tecnología de la información (ITE), las casas y edificios inteligentes, los electrodomésticos y los aparatos de consumo. Aunque puede resultar tentador tratar de diseñar fuentes de alimentación de CA/CC de bajo consumo, el proceso es más complejo y requiere más tiempo de lo que parece a primera vista. Los diseños tienen que cumplir requisitos de rendimiento exigentes, como amplios rangos de tensión de entrada, entrega de potencia máxima y altas densidades de potencia. También deben estar certificados según numerosas normas internacionales de seguridad, eficiencia, potencia de reserva y compatibilidad electromagnética (CEM).

En su lugar, los diseñadores pueden utilizar fuentes de alimentación CA/CC compactas montadas en placa que están certificadas según todas las normas internacionales de rendimiento pertinentes, lo que acelera el tiempo de comercialización. Estas eficientes fuentes de alimentación tienen amplios rangos de tensión de entrada y pueden aceptar entradas de CA o CC para ofrecer flexibilidad y compatibilidad mundial.

Este artículo explora brevemente las consideraciones generales de aplicación de las fuentes de alimentación CA/CC. A continuación, ofrece ejemplos de tres opciones de conversión de energía CA/CC montadas en placa de la serie RACxx-K de RECOM Power, identificando las características y ventajas clave de los productos específicos y su aplicación.

Combinaciones de convertidores CA/CC

Las fuentes de alimentación CA/CC pueden conectarse en serie o en paralelo para proporcionar mayores niveles de potencia o un funcionamiento redundante en caliente (Figura 1).

Figura 1: Dos convertidores CA/CC pueden conectarse en serie para obtener una mayor tensión (arriba) o en paralelo para obtener una mayor corriente o un funcionamiento redundante (abajo). (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Las fuentes de alimentación conectadas en paralelo (la configuración inferior de la figura 1) pueden utilizarse para proporcionar mayores corrientes o mayor fiabilidad mediante la redundancia. Son posibles corrientes más elevadas cuando ambas fuentes de alimentación funcionan a sus corrientes de salida nominales o cerca de ellas. La tensión de salida no cambia, pero la corriente disponible aumenta, incrementando la potencia de salida.

Las configuraciones de alimentación redundante utilizan varias fuentes de alimentación para aumentar la fiabilidad del sistema, no para aumentar el nivel de potencia disponible. Las configuraciones redundantes pueden adoptar varias formas. En una topología, el sistema está configurado para tomar energía solo de la fuente de alimentación "primaria" durante el funcionamiento normal y para cambiar automáticamente a la fuente de alimentación "de reserva" en caso de que la fuente primaria falle.

La redundancia N+1 es otra topología común utilizada para aumentar la fiabilidad del suministro de energía. Un sistema N+1 consta de dos o más fuentes de alimentación. En la figura 1, la configuración inferior puede utilizarse como arquitectura redundante con "N" = 1. En este caso, cada una de las fuentes de alimentación funciona al 50% de su capacidad durante el funcionamiento normal, y cada una de ellas puede proporcionar la potencia de carga completa si la otra fuente de alimentación falla.

En lugar de poner en paralelo las fuentes de alimentación para aumentar la potencia disponible, también se puede aumentar conectando las fuentes de alimentación en serie (configuración superior en la figura 1). En este ejemplo, ambas fuentes de alimentación tienen la misma tensión de salida, V_O, y la configuración en serie proporciona 2V_O. Dado que la corriente suministrada a la carga no cambia, al duplicar la tensión se duplica la potencia efectiva.

Las dos configuraciones de la figura 1 incluyen diodos ORing para aislar las salidas de las fuentes de alimentación. Si una de las fuentes de alimentación falla, los diodos ORing protegen el sistema de un fallo catastrófico. El valor nominal de la corriente del diodo ORing debe ser mayor que el valor nominal de la corriente de salida de la fuente de alimentación, y el valor nominal de la tensión de ruptura debe ser mayor que la tensión de salida de la fuente de alimentación.

Consideraciones sobre la entrada CA/CC

Aunque hay varias formas de conectar las salidas de dos o más fuentes de alimentación CA/CC entre sí para obtener una funcionalidad adicional, no es posible conectar las entradas de dos convertidores CA/CC para aumentar el rango de tensión de entrada. Por eso, las fuentes de alimentación CA/CC de entrada amplia (también llamadas de entrada universal) son cada vez más populares. La protección con fusibles también es una consideración importante para las entradas de alimentación CA/CC (Figura 2).

Figura 2: Normalmente se utiliza un solo fusible de entrada (arriba), pero si la entrada no está polarizada, se pueden colocar fusibles en ambas líneas de entrada (abajo). (Fuente de la imagen: RECOM Power)

En general, se recomienda el uso de fusibles con retardo de tiempo (también llamados de fusión lenta). Los fusibles pueden conectarse a ambas líneas de entrada si la entrada de CA no está polarizada. Las recomendaciones de tamaño de fusible típicas para las fuentes de alimentación monofásicas de CA/CC son de 1.5 amperios (A) para las salidas de menos de 40 vatios, de 2 A para las salidas de más de 40 vatios pero menos de 60 vatios, y de 3 A para las salidas de 60 vatios o más.

Si la fuente de alimentación CA/CC tiene una clavija de tierra (FG), debe conectarse a un punto de tierra de seguridad. La tensión de salida -V_OUT puede conectarse a FG, referenciando la salida +V_OUT a tierra. Los diseñadores deben especificar interconexiones cortas y gruesas para garantizar conexiones sólidas que reduzcan aún más las interferencias electromagnéticas (EMI) (Figura 3).

Figura 3: La tensión de salida puede conectarse a tierra para referenciar la salida a tierra. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

3 vatios para IoT, IIoT y aplicaciones domésticas

Para los diseñadores de aplicaciones de IoT, IIoT y domésticas que requieren 3 vatios de potencia, RECOM ofrece la fuente de alimentación de CA/CC RAC03E-K/277 que ofrece una única salida de 12 voltios CC estrechamente regulada (hay otros modelos disponibles con salidas de 3.3 a 24 voltios CC). Estas fuentes de alimentación, certificadas internacionalmente, cuentan con un amplio rango de tensión de entrada mejorado, de 85 a 305 voltios de CA o de 120 a 430 voltios de CC, y cumplen los requisitos de alimentación en espera de la ErP. La serie RAC03E-K/277 tiene un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, entregando toda la potencia de salida de -30 a +75 °C (excepto las unidades de salida de 3.3 voltios que entregan toda la potencia a +70 °C) bajo refrigeración por convección natural (Figura 4).

Figura 4: Los dispositivos de la serie RAC03E-K/277 tienen un amplio rango de temperatura de funcionamiento, entregando toda la potencia de salida de -30 a +75 °C (excepto las unidades de salida de 3,3 voltios que entregan toda la potencia a +70 °C). (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Estas fuentes de alimentación tienen un tamaño de 1.45 pulgadas por 0.95 pulgadas y un perfil bajo de 15.4 milímetros (mm). Su aislamiento de la entrada a la salida de 4 kV de corriente alterna los hace adecuados para aplicaciones en todo el mundo, y cumplen las siguientes normas:

• Certificación UL/IEC/EN62368-1
• Certificado CAN/CSA C22.2 nº 62368-1
• EN60335-1 (pendiente)
• EN62233 (pendiente)
• IEC/EN61558-1/2-16 (pendiente)
• Cumple la norma EN55032/EN55035

10 vatios para la automatización de procesos y los edificios inteligentes

La capacidad de potencia de pico del 140% de la fuente de alimentación RAC10-05SK/277 de 5 voltios de CA/CC soporta las necesidades de potencia transitoria de los sistemas con cargas inductivas, de alta corriente de arranque o no lineales, como la automatización de procesos y las aplicaciones de edificios inteligentes (Figura 5). Estas fuentes de alimentación CA/CC montadas en placa de circuito impreso cuentan con certificaciones internacionales de seguridad para normas industriales y domésticas.

Figura 5: Las fuentes de alimentación de CA/CC de 10 vatios RAC10-05SK/277 cuentan con certificaciones internacionales de seguridad para normas industriales y domésticas. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Los modelos de 10 vatios están disponibles con tensiones de salida simples de 3.3 a 24 voltios de CC, o en versiones de doble salida que suministran ±12 o ±15 voltios de CC. Estas fuentes de alimentación cumplen con la categoría de sobretensión III (OVC III) de la norma IEC62477-1 para sistemas industriales utilizados en instalaciones fijas, y para casos en los que la fiabilidad y la disponibilidad de los equipos están sujetas a requisitos especiales. Las fuentes de alimentación de estas instalaciones suelen tener una conexión permanente y cableada al panel de distribución de CA. Al igual que la RAC03E-K/277 de 3 vatios comentada anteriormente, estas fuentes de alimentación CA/CC tienen un rango de tensión de entrada extra amplio, de 85 a 305 voltios CA o de 120 a 430 voltios CC.

Fuentes de alimentación de 20 vatios con una potencia ultrabaja en vacío

Los diseñadores de dispositivos IoT e inteligentes pueden beneficiarse del uso de la serie RAC20-K de módulos CA/CC de 20 vatios. Por ejemplo, la versión RAC20-48SK produce una salida de 48 voltios de CC con solo 40 milivatios (mW) de consumo de energía sin carga en aplicaciones de modo siempre encendido y en espera. Estas fuentes de alimentación presentan la conformidad con el lote 6 de la ErP en modo de espera. Están disponibles con un amplio rango de entrada de 85 a 264 voltios de CA, y un rango de entrada extra amplio opcional de 85 a 305 voltios de CA o de 120 a 370 voltios de CC. Las versiones modificadas de estas fuentes de alimentación cumplen con la norma IEC62477-1 sobre fuentes de alimentación OVC III. Estas fuentes de alimentación montadas en placa de circuito impreso están disponibles con tensiones de salida simples de 5 a 48 voltios de CC, o en versiones de doble salida que proporcionan ±12 o ±15 voltios de CC. Estas fuentes de alimentación se caracterizan por su alta eficiencia desde las cargas ligeras hasta la carga completa, como se muestra en el gráfico de la versión RAC20-05SK de 5 voltios (Figura 6).

Figura 6: El gráfico de eficiencia frente a la carga de salida del RAC20-05SK (modelo de salida de 5 voltios) muestra una alta eficiencia desde cargas ligeras hasta la carga completa. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Las fuentes de alimentación de CA/CC RAC20-48SK cumplen con los requisitos de emisiones conducidas de la clase B de la norma EN 55022 sin ningún tipo de filtrado adicional. Tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C, y cuentan con certificaciones internacionales de seguridad para equipos industriales, audiovisuales y de tecnología de la información, entre otros (* = pendiente para los modelos de entrada extra ancha):

• Certificación IEC/EN62368-1
• Certificación UL62368-1
• Certificado CAN/CSA-C22.2 nº 62368-1-14
• Certificación IEC/EN60335 *
• Certificación IEC/EN61558-1 *
• Certificación IEC/EN61558-2-16 *
• Cumple con la norma IEC/EN61204-3 *
• Cumple la norma EN55032/14 *
• Cumple la norma EN55024 *

Dos salidas a partir de una única salida

Como se ha indicado anteriormente, el RAC03E-K/277 de 3 vatios solo está disponible en un diseño de salida única. Las fuentes de alimentación RAC10-05SK/277 de 10 vatios y RAC20-48SK de 20 vatios de CA/CC se ofrecen con salidas simples y dobles. Sin embargo, las configuraciones de doble salida están limitadas a ±12 o ±15 voltios de CC. En algunas aplicaciones, puede ser necesaria una combinación diferente de tensiones de salida. En estos casos, los diseñadores pueden emparejar una fuente de alimentación CA/CC de salida única con un convertidor CC/CC de menor potencia o un regulador de conmutación para suministrar una tensión de salida auxiliar, o un raíl de salida negativo (Figura 7).

Figura 7: Un regulador de conmutación (R-78xx, arriba) o un convertidor CC/CC (abajo) pueden combinarse con una fuente de alimentación CA/CC para producir una tensión de salida auxiliar (arriba), o un raíl de tensión negativa (abajo). (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Más filtros EMI

Todas las fuentes de alimentación CA/CC de la serie RAC de RECOM que se comentan en este artículo tienen un filtro de línea incorporado que cumple con la norma EN 55022 sobre emisiones conducidas de clase B. En aplicaciones más exigentes puede ser necesario un filtrado adicional. Cuando se añade un filtro externo, debe utilizarse una topología de cableado central en estrella-tierra, y el cableado entre el filtro externo y el convertidor debe ser lo más corto posible (Figura 8).

Figura 8: Las fuentes de alimentación CA/CC RAC de RECOM cumplen la norma EN 55022 sobre emisiones conducidas de clase B. Se puede añadir un filtro externo si es necesario. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Conclusión:

La necesidad de alimentación CA/CC de baja potencia montada en placa sigue creciendo, pero siguen siendo sistemas complejos. Si un diseñador no está bien versado en los matices del diseño de las fuentes de alimentación, las pruebas y el cumplimiento de la normativa, diseñarlas desde cero puede llevar mucho tiempo y puede añadir costes, retrasar los programas de diseño y ocupar más espacio en la placa del que es necesario.

Una mejor opción en muchos casos es elegir entre una serie de fuentes de alimentación CA/CC compactas y listas para usar. Como se ha mostrado, están disponibles en una amplia variedad de rangos de tensión de entrada y pueden aceptar entradas de CA o CC. Además, es probable que ya estén certificadas según las normas internacionales de rendimiento y cumplimiento pertinentes.

Lecturas recomendadas

1. Guía para la selección y el uso de las fuentes de alimentación del IoT y el IIoT