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Instalación de fuentes de alimentación en formato abierto y canal U

Gary Bocock, Director Técnico, XP Power nos explica puntos a tener en cuenta en la instalación de marco abierto y canal U para fuentes de alimentación AC/DC

Instalación de fuentes de alimentación en formato abierto y canal U

Las fuentes de alimentación AC/DC se suministran comúnmente en lo que la industria conoce como formato abierto. El formato abierto generalmente se describe como una fuente en un PCB solamente, y como tal, es un componente más diseñado para ser instalado dentro de un equipo, que es el que proporciona una carcasa para todo el producto final.  

Otro formato común para fuentes de alimentación para su integración en el equipo final es el canal U, donde la fuente montada en un PCB, se instala en un chasis en forma de U, por lo general de aluminio, que a menudo se utiliza como parte de la gestión térmica para los semiconductores de potencia, así como múltiples opciones de fijación para que el fabricante del equipo instale la fuente en el conjunto final.

Hay varias consideraciones al instalar fuentes de alimentación en canal U y en formato abierto; principalmente están relacionadas con la seguridad, la compatibilidad electromagnética (EMC) y la gestión térmica. En este artículo trataremos estos temas de preocupación para el diseñador.

Otra consideración importante son las especificaciones detalladas de la fuente de alimentación, especialmente las referentes a las limitaciones por temperatura y el voltaje de entrada, cuando se comparan con los valores nominales indicados en la documentación técnica. Las mejores fuentes mantienen la potencia nominal a 50ºC de temperatura ambiente y hasta 90VC de tensión de entrada, mientras que otras fuentes anuncian una limitación de potencia con una reducción de hasta el 20% con baja tensión de entrada y también por temperatura ambiente tan baja como 40ºC, lo que puede hacer que estas fuentes no sean adecuadas para la aplicación final.

Seguridad

Al montar una fuente de alimentación de formato abierto en la carcasa del equipo, es necesario observar las distancias de fuga y de separación requeridas desde la carcasa hacia todas las caras de la fuente.                                                                                                                                                               

En un sistema de clase I esto significará asegurar 3 o 4 mm entre cualquier parte metálica conectada a tierra y cualquier parte del primario de la fuente de alimentación, dependiendo de si la aplicación final es industrial o médica, ya que puede requerir el uso de aislamiento alrededor del conjunto de la fuente de alimentación.

Cuando se emplea una fuente de alimentación de clase I, la conexión a tierra de seguridad de la fuente de alimentación es parte integral del sistema de seguridad eléctrica y debe estar conectada de forma segura a la toma de tierra del equipo. Esta conexión generalmente está disponible a través de uno de los orificios de montaje, a través del conector de entrada de AC o a través de un conector faston en la PCB. Es probable que se requiera más de una conexión a tierra del conjunto y que afecte a las emisiones eléctricas y a los niveles de susceptibilidad; lo trataremos más adelante.

Donde se utilice una fuente de clase II, las distancias de fuga y de separación puede que tengan que ser más grandes en carcasas metálicas, aunque normalmente las carcasas de los equipos donde se emplean no son conductivas.

Figura 1: Fuente de alimentación en formato abierto.

La construcción en formato canal U facilita los puntos críticos relacionados con la seguridad, ya que el chasis está conectado a la tierra de seguridad de la fuente y se puede unir directamente a la carcasa del equipo junto con la conexión a tierra de la fuente. Aunque se atienden los requerimientos de distancias de seguridad entre la PCB y el canal U que la envuelve, las terminaciones y la parte superior de ese ensamblaje en forma de U están normalmente abiertos, y se debe tener cuidado en estas áreas para garantizar las distancias de fuga y de separación.

Figuras 2a y 2b: Fuente de alimentación en formato canal U, con y sin cubierta.

La construcción del canal U tiene el beneficio adicional de facilidad de manejo y de instalación. El chasis U proporciona una construcción más resistente e incorpora agujeros roscados de montaje, para ser utilizados por el instalador, reduciendo el montaje hardware a una simple fijación con tornillos. Se debe tener en cuenta la profundidad máxima de penetración de inserción del tornillo para mantener con seguridad las distancias de fuga y separación.

Otro beneficio del canal U es la posibilidad de enfriar adicionalmente por conducción los componentes de potencia, hacia la carcasa del equipo, reduciendo tanto la temperatura de los componentes adheridos como, en consecuencia, la temperatura general en la construcción del canal U.

Tanto las fuentes de alimentación de formato abierto como las de canal U, incluyen uno, o a veces dos, en el caso de fuentes diseñadas para equipos médicos, de fusibles de entrada, que también forman parte del diseño general del sistema de seguridad del equipo, y protegen contra el peligro de incendio en caso de fallo muy grave. Este fusible generalmente está instalado permanentemente en la fuente de alimentación y no está diseñado para el reemplazo, ya que la única razón para la sustitución del fusible es el fallo del conjunto de la fuente de alimentación.

Como ambas construcciones requieren cableado de entrada, el equipo final también requiere un fusible adicional para protegerlo de posibles problemas de peligro de incendio creados por el montaje de conectores, indicadores, interruptores y el cableado en sí.

Los cables de salida deben dimensionarse según la capacidad máxima de potencia de la fuente de alimentación, incluyendo las tolerancias máximas según sus especificaciones de protección contra sobrecargas para garantizar  una operación segura en caso del fallo del mismo equipo.

También existen consideraciones térmicas a tener en cuenta, ya que algunos componentes críticos de seguridad tienen una limitación de temperatura máxima; este punto lo trataremos con detalle más adelante en la gestión térmica.

Compatibilidad Electromagnética (EMC)

Las fuentes de alimentación de formato abierto normalmente requieren dos y a veces tres puntos de montaje para ser conectados a tierra. Como se mencionó anteriormente, en un sistema de clase I, por lo general una de estas conexiones es necesaria para la toma de tierra de seguridad, y se encuentra en la entrada; esta conexión también conecta los condensadores de filtro de modo común que hay de línea a tierra, y de neutro a tierra, también conocidos como condensadores “Y”.

Estos condensadores “Y”  funcionan conjuntamente con las inductancias en modo común dentro de la fuente de alimentación para atenuar el ruido asociado a los cambios rápidos de tensión en la etapa de potencia de la fuente. Los otros están generalmente en el lado del secundario y conectan los condensadores de filtro modo común de salida a tierra. El elemento diferencial del filtro que está diseñado para atenuar el ruido asociado con los cambios rápidos de la corriente está dentro de las conexiones de línea y neutro de la fuente.

Este condensador en modo común forma parte de la implementación de la EMC en la fuente de alimentación y debe ser conectado para su cumplimiento. Cuando el equipo utiliza una carcasa metálica, esto es rara vez un problema. Pero en las carcasas de plástico, ya sea en configuraciones clase I o clase II, son necesarias otras medidas para conectar estos puntos para garantizar el cumplimiento de las normas de EMC. Los puntos que requieren conexión a tierra se identifican generalmente en la documentación técnica de la fuente de alimentación como en el ejemplo siguiente.

Figura 3: Dibujo mecánico de una fuente en formato abierto mostrando las conexiones a tierra.

La forma óptima de conectar estos puntos es montando la fuente de formato abierto en una base metálica, que no necesitará estar conectada a otro elemento, y que proporciona un camino de baja impedancia, con elementos parásitos pequeños, para que se conecten los condensadores de filtro.  

Cuando este tipo de montaje no sea práctico, deberán emplearse otros métodos para conectar estos puntos de montaje, como un conjunto de cables.

En una construcción de canal U, todas las conexiones a tierra se realizan dentro del chasis de esa U, lo que simplifica la instalación de la fuente de alimentación desde la perspectiva de EMC.  Una buena conexión eléctrica desde el chasis U hasta la carcasa del equipo vía múltiples puntos de fijación es muy beneficiosa, minimizando los elementos parásitos.

Figura 4: Detalles mecánicos típicos de una fuente de alimentación de canal U que detalla fijaciones y conexiones.

En ambos casos, los cables de entrada y salida deben mantenerse bien separados y evitar la proximidad al conjunto que está abierto para evitar posibles problemas con la radiación de los componentes de conmutación y los conjuntos magnéticos dentro de la fuente de alimentación que puedan inducir al sistema potenciales problemas de emisiones conducidas y radiadas al equipo final.

Gestión térmica

Las fuentes de alimentación en formato abierto pueden tener una potencia determinada cuando están refrigeradas por convección, con ventilación forzada o ambas.

En el caso de las fuentes con formato en U, también tenemos refrigeración por conducción, utilizando la carcasa del equipo o un radiador externo para un enfriamiento mayor del montaje.  

La posición del montaje, la orientación, el espacio circundante, la carga aplicada y las partes alrededor de la fuente, junto con cualquier refrigeración son únicas en cada aplicación. Es importante comprobar la temperatura de trabajo de los componentes clave dentro del conjunto de la fuente de alimentación, una vez instalada, para asegurar que los componentes críticos de seguridad no excedan sus valores máximos que se especifican en la documentación de homologación para la seguridad, y que la fiabilidad y la vida útil de la fuente no se vean afectadas.

La documentación técnica de las fuentes en formato abierto y en canal U apropiadas para su integración dentro de un equipo, comúnmente identifican  los componentes clave de seguridad y sus valores máximos de temperaturas,  que varían de una fuente a otra dependiendo del sistema de aislamiento empleado. Por lo general, también proporcionan una curva de vida útil estimada basada en la temperatura de los condensadores electrolíticos, que son los únicos componentes que conllevan un mecanismo de desgaste dentro de la fuente de alimentación.

Figura 5: Tabla y gráficos mostrando los límites de seguridad y una estimación de vida útil para una operación 24/7

Las predicciones del ciclo de vida se basan en la vida útil del diseño de los condensadores electrolíticos a su valor máximo de temperatura y la temperatura media que experimentará en la aplicación final a lo largo de todo su período de trabajo. Es evidente que la temperatura máxima no puede superarse bajo ninguna circunstancia o en algún funcionamiento extremo.

Todos los cálculos de la vida útil del condensador electrolítico están basados en la ecuación de Arrhenius, donde si el ratio de velocidad de reacción se reduce a la mitad, la vida útil se dobla, por cada reducción de temperatura de 10ºC, lo que lo convierte en un elemento crítico en el ciclo de vida útil o de servicio de toda la aplicación final.

Los cálculos de la vida útil realizados por el fabricante de la fuente de alimentación incluirán elementos implicados en la corriente de rizado, pero como esto es poco práctico en el acabado final del ensamblado de la fuente, una buena indicación de la vida de servicio se puede determinar mediante la medición de las temperaturas en el encapsulado de los componentes y la aplicación de la ecuación de Arrhenius a la temperatura especificada y la vida útil del diseño.

Autor: Gary Bocock, Director Técnico, XP Power

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