Prueba de seguridad de fuentes de alimentación en modo de conmutación alimentadas por línea

La conversión de alimentación en modo de conmutación, ya sea en fuentes de alimentación, controladores industriales, convertidores CC-CC, inversores CC-CA o UPS, ofrece alta eficiencia, tamaño pequeño y peso ligero. Sin embargo, las pruebas o la solución de problemas de las fuentes de alimentación en modo de conmutación alimentadas por línea plantean varios desafíos difíciles relacionados con la seguridad, que requieren que el diseñador tome precauciones concretas.

Las dificultades surgen al tener que manejar altos voltajes, altas temperaturas, aislamiento de línea, requisitos de carga mínima y mediciones de voltaje con un rango dinámico extremo. Este artículo describirá lo necesario para configurar una estación de prueba segura, que incluye los dispositivos para proporcionar control de alimentación de entrada, aislamiento de línea, mediciones de voltaje de un amplio rango dinámico y control de carga programable.

Problemas de seguridad de la prueba de SMPS

Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) encienden y apagan los altos voltajes con tiempos mínimos de transición para reducir las pérdidas de energía. Una SMPS con alimentación de línea normal presenta varios problemas relacionados con la seguridad (Figura 1).

Figura 1: En una SMPS de topología flyback normal, el diferencial entre los rieles de alto y bajo voltaje puede ser de más de 670 voltios. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Esta es una fuente de alimentación con alimentación de línea que utiliza topología flyback. El lado primario del circuito, que se muestra resaltado en color amarillo, funciona como un rectificador de onda completa de la entrada de línea (red eléctrica) y la aplica a los rieles principales. Esto significa que los niveles de voltaje que se producen entre los rieles de voltaje alto y bajo son aproximadamente de 340 voltios para una línea de 120 voltios, y más de 670 voltios para una línea de 240 voltios. Puede ser necesario recordar a los técnicos e ingenieros que utilizan voltajes por debajo de 15 voltios que estos voltajes son potencialmente letales y que se debe tener especial cuidado al trabajar con estos dispositivos.

Este voltaje de línea rectificado se almacena en el capacitor de almacenamiento principal, C2. Esto significa que aun cuando el suministro se desconecta de la línea, la carga almacenada en el capacitor de almacenamiento sigue siendo peligrosa. Antes de solucionar un problema, es necesario desconectar la alimentación de la línea y debe descargarse el capacitor de almacenamiento principal cuidadosamente a través de una resistencia.

El transistor de efecto de campo (FET), Q2, conmuta entre los voltajes de riel alto y bajo. Aun cuando funciona con alta eficiencia, este transistor se calentará bastante y, por lo general, se monta en un disipador térmico Los operadores de prueba deben extremar las precauciones alrededor de los disipadores térmicos para evitar quemaduras.

Tenga en cuenta que las secciones primarias y secundarias de la fuente están aisladas eléctricamente por el transformador flyback, L2, y el acoplador aislado ópticamente, Q4. Mientras la sección secundaria está conectada a tierra en el terminal de salida negativo (-), la primaria no está conectada a tierra. Esta condición se vuelve problemática cuando se emplean instrumentos de conexión a tierra, como osciloscopios, para la solución de problemas. Conectar la toma a tierra de una sonda de osciloscopio a los componentes del lado primario de la fuente puede provocar un cortocircuito con el consiguiente daño a los componentes primarios, así como al osciloscopio.

Una SMPS generalmente requiere alguna carga mínima para funcionar; si no está cargada de forma correcta, normalmente se apagará.

Finalmente, teniendo en cuenta los altos voltajes utilizados, los modos de falla a menudo son impresionantes. Por ejemplo, un rectificador de puente en cortocircuito (D1-D4) podría aplicar voltaje de línea al capacitor de almacenamiento principal, lo que provocaría que el capacitor expulse su dieléctrico a través de los respiraderos de alivio, o incluso explote por completo. Por lo tanto, existe la posibilidad de eyección al abrir una fuente de alimentación conmutada (SMPS).

Configuración de prueba segura de SMPS

Un conjunto de prueba de SMPS debe utilizar varios dispositivos normalmente disponibles para minimizar los problemas de seguridad (Figura 2).

Figura 2: Una configuración de prueba de SMPS utiliza un transformador de aislamiento, un autotransformador, un gabinete de seguridad y una carga. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La finalidad del transformador de aislamiento es aislar eléctricamente la sección primaria de la SMPS. Una vez aislado, es posible conectar el lado de la conexión de puesta a tierra de una sonda en cualquier punto del circuito primario. Esto eliminará la posibilidad de cortocircuito en el primario. Un transformador de aislamiento, como el modelo de Bel Signal Transformer DU-2, cuenta con bobinados primarios y secundarios dobles y se pueden cablear para entradas nominales de 120 voltios o 240 voltios. Puede suministrar 9 amperios (A) a 240 voltios o 18 A a 120 voltios (2 kVA). Los transformadores de aislamiento con potencias de salida de hasta 10 kVA son comunes.

El autotransformador se utiliza para que el voltaje de línea aplicado al dispositivo se someta a prueba lentamente. Esto se realiza mientras se monitorea la corriente de entrada, lo que permite que los componentes defectuosos se detecten antes de una falla catastrófica. El modelo 3PN1010B de Staco Energy Products es un autotransformador común que puede brindar hasta 10 A de 0 a 140 voltios (1.4 kVa). Tenga en cuenta que un autotransformador no proporciona aislamiento de línea y debe utilizarse con un transformador de aislamiento para lograr eso.

Como se ha mencionado, es necesaria una carga para probar una SMPS. A menudo se utilizan resistencias no inductivas, pero tenga en cuenta que los bancos de carga resistiva también pueden calentarse mucho y deben protegerse del contacto accidental. Las cargas electrónicas son una alternativa que reemplaza a los bancos de carga de resistencia fijos con cargas variables. La capacidad para controlar la carga es muy importante al ejecutar pruebas como la regulación de la carga y la reducción de la corriente de salida. La capacidad de programación es un aspecto especialmente importante si las pruebas se deben ser automatizadas.

El modelo 8514 de B&K Precision es una carga electrónica representativa con una potencia nominal de 1200 W que puede programarse mediante USB para funcionar en modo de corriente constante, voltaje, resistencia o energía con voltajes de entrada de 0,1 a 120 V. Las cargas electrónicas también pueden simular cargas dinámicas que cambian con el tiempo.

El gabinete de seguridad en el modelo 8514 proporciona una barrera física entre el dispositivo sometido a prueba y el operador de prueba. En caso de falla explosiva, protege los operadores cercanos. También puede incluir un suministro para enfriar el dispositivo sometido a prueba y el banco de carga resistiva, si se utiliza uno. Accesorios como este usualmente ofrecen conexión y desconexión rápida del dispositivo sometido a prueba.

Aislamiento de línea

Una línea de CA monofásica tiene un conductor vivo y uno neutro. El conductor neutro está conectado a tierra en el sistema de distribución, pero aún puede estar a varios voltios por encima de la superficie de la fuente de alimentación. El resultado es que no hay referencia de tierra en la sección principal de la fuente. Conectar una sonda de osciloscopio con conexión a tierra a cualquier punto en el circuito primario puede causar un cortocircuito.

Muchos técnicos e ingenieros intentan resolver este problema al eliminar las conexiones a tierra del osciloscopio y haciéndolo "flotar". Esta es una práctica extremadamente peligrosa porque podría dejar la caja del osciloscopio a varios cientos de voltios por encima de la superficie. Cualquiera que toque la caja del osciloscopio podría electrocutarse.

Una alternativa a la flotación del osciloscopio es utilizar un transformador de aislamiento, cableado como se muestra en la Figura 2. Esto separa la fuente que se someterá a prueba de la línea de CA. Luego del transformador de aislamiento, se puede hacer una conexión a tierra en cualquier punto del circuito primario y ese punto será la referencia de tierra.

Si bien las mediciones de voltaje se pueden realizar mediante esta técnica, una práctica óptima es utilizar una sonda diferencial diseñada para mediciones de alto voltaje. Las sondas diferenciales tienen dos entradas (ninguna está conectada a tierra) y miden la diferencia en el voltaje entre las entradas. Realiza esto al restar el voltaje en una entrada de la otra (Figura 3).

Figura 3: El diagrama esquemático conceptual de una sonda diferencial muestra que la salida de la sonda es la diferencia entre las entradas + y -. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La medición de diferencia de la sonda diferencial atenúa cualquier señal de voltaje común en ambas entradas (conocidas como señales de modo común). La cantidad de atenuación de las señales de modo común es un coeficiente de calidad para una sonda diferencial y se llama relación de rechazo de modo común, o CMRR, que se expresa en decibelios (dB).

Las sondas diferenciales de alto voltaje utilizan una alta atenuación por delante de las entradas diferenciales compatibles para medir altos voltajes. En la Figura 3, nuevamente, las resistencias R1 y R2 forman un atenuador compensado, mientras que las resistencias R3 y R4 forman el otro. Las salidas de los atenuadores se aplican a las entradas de un amplificador de diferencia de tres amplificadores operacionales. Una combinación muy cuidadosa de los componentes y una disposición de placa de CI simétrica genera niveles muy prácticos de CMRR.

La CMRR es importante porque las mediciones de voltaje en una SMPS pueden requerir un rango dinámico alto. El lado primario de la fuente de alimentación conmuta los voltajes de 340 voltios, con tiempos de transición relativamente rápidos. Estas señales irradian a través del dispositivo. Considere tratar de medir la señal del controlador de compuerta en el FET de alimentación. Esta señal, de menos de 10 voltios, sería difícil de ver en presencia de estas señales de modo común de alto voltaje. La utilización de una sonda diferencial con una CMRR alta rechaza las señales interferentes.

Las sondas como las del modelo CT3681 de Cal Test Electronics incorporan atenuación X100 o X1000 seleccionable por el usuario (Figura 4). Tienen un voltaje nominal máximo de 700 V (X100) o 7 kV (X1000), con una CMRR de -80 dB a 50 Hz, y -60 dB a 20 kHz, y un ancho de banda de 70 MHz. Esta sonda tiene la ventaja de utilizar un conector BNC estándar en la salida, en lugar de una interfaz de sonda patentada, lo que le permite tener compatibilidad con todos los osciloscopios.

Figura 4: Sonda diferencial de alto voltaje modelo CT3681 de Cal Test Electronics de 70 MHz Esta sonda proporciona dos rangos que admiten voltajes de entrada máximos de 700 voltios y 7000 voltios. Cuenta con una CMRR de -80 dB a 50 Hz, -60 dB a 20 kHz. (Fuente de la imagen: Cal Test Electronics)

Conclusión

Si bien son conocidas y útiles, las SMPS con alimentación de línea presentan problemas de seguridad al probarlas. Sin embargo, como se muestra, algunas prácticas de ingeniería sólidas junto con el uso de componentes generalmente disponibles, como transformadores de aislamiento, autotransformadores, cargas electrónicas y sondas diferenciales, reducen en gran medida esos riesgos.