Selección y aplicación de fuentes de alimentación de CA/CC para la automatización de fábricas

Para hacer frente a esta necesidad, los diseñadores pueden construir ellos mismos las fuentes de alimentación, lo que puede resultar costoso y llevar mucho tiempo, o encontrar soluciones fácilmente disponibles que se adapten a la tarea y a sus limitaciones presupuestarias. Cualquiera de las dos soluciones debe cumplir las normas de conformidad electromagnética (EMC) y de seguridad, así como la normativa sobre interferencias electromagnéticas (EMI). Además, las fuentes de alimentación para automatización de fábricas deben tener características de protección que las hagan adecuadas para entornos industriales.

En este artículo se describen brevemente los requisitos de una fuente de alimentación de CA/CC para aplicaciones de automatización de fábricas y se esbozan los criterios críticos de rendimiento y selección del factor de forma. A continuación, presenta las fuentes de alimentación de riel DIN de RECOM Power como ejemplos de unidades listas para instalar.

Rolf Horn, Applications Engineer en DigiKey.

La automatización de fábricas también incluye equipos de red y herramientas de prueba y medición, y depende en gran medida de una alimentación resistente y fiable. Los requisitos de la fuente de alimentación varían en función de la aplicación y el equipo. Una solución típica convierte un voltaje de CA de red (de 90 VCA a 264 VCA, con ligeras variaciones entre países) en un voltaje de CC. Los requisitos de salida varían, ya que los equipos de automatización de fábricas funcionan con varias tensiones CC estándar, como 12 V, 15 V, 24 V y 48 V.

Además del cumplimiento certificado de las normativas de seguridad y de otro tipo pertinentes, las soluciones modulares suelen diseñarse teniendo en cuenta la densidad de energía y la eficiencia. Satisfacen una amplia gama de voltajes y requisitos de corriente estándar y se fabrican para ofrecer alta fiabilidad y longevidad.

Las fuentes de alimentación modulares comerciales para la automatización de fábricas incluyen opciones que se adaptan al popular sistema de riel DIN para facilitar la implementación. Este sistema funciona con anchos estándar universales y formas de herrajes de montaje. Con el sistema de riel DIN, los instaladores tienen garantizada la coherencia dimensional en toda una gama de productos, incluidas las fuentes de alimentación, independientemente del fabricante.

Esta compatibilidad entre marcas ofrece a los usuarios de sistemas de riel DIN la flexibilidad de mezclar y combinar componentes (figura 1).

Las infraestructuras de automatización de fábricas utilizan múltiples fuentes de alimentación, lo que hace que los costos aumenten rápidamente. La serie REDIIN120 de fuentes de alimentación de CA/CC para riel DIN de 120 W (Figura 2) de RECOM Power está diseñada para minimizar los costos sin dejar de ser compacta y fiable. Cada unidad mide 123.6 x 30.0 x 116.8 milímetros (mm).

Las fuentes de alimentación CA/CC REDIIN120 refrigeradas por convección pueden funcionar a plena potencia en un rango de temperaturas de -30 °C a +50 °C. Estos productos están certificados conforme a las normas de seguridad IEC 62368-1, IEC 61010-1 e IEC 61010-2-201.

Las emisiones electromagnéticas radiadas y conducidas de las fuentes de alimentación cumplen la norma de inmunidad EN 61000-6-2 y la norma de emisiones industriales pesadas EN 61000-6-4 Clase B. Las unidades también cumplen los requisitos de protección medioambiental de la directiva RoHS.

La serie REDIIN120 consta de tres modelos, cada uno de los cuales funciona con una entrada de 90 VCA a 264 VCA y difiere únicamente en el voltaje de salida. El REDIIN120-12 tiene una salida nominal de 12 V ajustable de 10.8 V a 13.2 V. El REDIIN120-24 tiene una salida nominal de 24 V ajustable de 21.6 V a 26.4 V. El REDIIN120-48 tiene una salida de 48 V ajustable de 43.2 V a 52.8 V. Las corrientes máximas de salida son 10 A, 5 A y 2.5 A, respectivamente.

Las fuentes de alimentación funcionan con un rendimiento máximo de entre el 86% y el 89,5%, según la unidad (Figura 3), y tienen un consumo de energía sin carga de 150 milivatios (mW) para las versiones de 12 V y 24 V, y de 210 mW para la versión de 48 V.

Las fuentes de alimentación pueden funcionar en modo de corriente constante, lo que hace que la serie sea adecuada para cargas inductivas y capacitivas como motores, solenoides y relés. La carga capacitiva máxima en el arranque es de 8 milifaradios (mF) para las unidades de 12 V y 24 V, y de 3 mF para la unidad de 48 V.

Las fuentes de alimentación REDIIN120 cuentan con una completa protección contra sobrecorriente (OCP), sobretensión (OVP) y sobretemperatura (OTP) (Figura 4). Las tensiones superiores a 17.4 VCC para la unidad de 12 V, 33.6 VCC para la unidad de 24 V y 64.8 VCC para la unidad de 48 V generan una condición de bloqueo.

No existe ninguna variante de 15 V en la familia REDIIN. No obstante, RECOM Power ofrece el convertidor CA/CC RACM15E-15SK/PMAD-CTN para funcionamiento a 15 V (Figura 5). Esta unidad de montaje en riel DIN proporciona una salida de 15 V y 1 A a partir de una entrada de CA de 80 V a 275 V o una entrada de CC de 370 V. La potencia máxima de salida es de 15 A y su eficiencia a plena carga es del 85%. Las unidades cuentan con certificaciones internacionales de seguridad e EMI según las normas de transformadores médicos, domésticos, industriales y de seguridad.

Además de los requisitos de seguridad, CEM e IEM, los diseñadores deben tener en cuenta otros parámetros críticos para garantizar que las fuentes de alimentación de CA/CC de la fábrica puedan funcionar sin fallos durante largos periodos.

Por ejemplo, limitar la temperatura de funcionamiento por debajo del valor máximo de la fuente de alimentación es esencial para evitar problemas. Las temperaturas de funcionamiento elevadas pueden provocar una disminución del rendimiento, además de reducir la vida útil y aumentar el riesgo de funcionamiento incorrecto y averías. Las bajas temperaturas también pueden causar problemas de rendimiento, como un aumento de la ondulación de la tensión de salida y una regulación deficiente de la salida. Además, los cambios en las características eléctricas a bajas temperaturas pueden provocar fallos en el arranque.

Los fabricantes suelen recomendar reducir la potencia de la fuente de alimentación por encima de un umbral de temperatura, y las unidades de la serie REDIIN120 también incluyen un corte de seguridad por encima de una temperatura máxima de funcionamiento. La curva de reducción de potencia de la alimentación de CA/CC REDIIN120-24 de 120 W (Figura 6) indica una reducción de la potencia de salida por encima de +40 °C para entradas de 100 VCA y 115 VCA, y por encima de +50 °C para una entrada de 230 VCA. El funcionamiento por encima de +70 °C activa una desconexión.

Otra consideración es la longitud del cable. Los cables de alimentación excesivamente largos pueden provocar pérdidas resistivas que reduzcan el voltaje en la carga por debajo de los límites permitidos. El aumento del calibre del cable o de la tensión de salida y el uso de regulación CC/CC local en el punto de carga (PdC) pueden superar las pérdidas en los cables.

También, hay que tener en cuenta el tipo de carga. Alimentar cargas capacitivas o inductivas puede ser todo un reto. Las cargas inductivas como motores, solenoides y relés pueden provocar picos de voltaje elevados. El suministro de cargas capacitivas puede reducir la respuesta de carga dinámica de la fuente de alimentación o provocar inestabilidad y un aumento de la ondulación de salida. A la hora de seleccionar la fuente de alimentación, los diseñadores deben tener muy en cuenta los tipos de carga que requiere la aplicación para asegurarse de que es capaz de soportarlas. Las unidades REDIIN120, por ejemplo, ofrecen un modo de corriente constante, lo que hace que la serie sea adecuada para cargas inductivas y capacitivas.

Por último, la OCP de salida es importante para minimizar los efectos de los ciclos perdidos y los abandonos. Las técnicas típicas para proteger la fuente de alimentación incluyen la limitación de la corriente a un valor establecido, el “repliegue“de la corriente a un valor seguro al aumentar la carga o la protección contra el ”hipo”, por la que la salida se apaga y se vuelve a encender tras un retardo. Si la condición de sobrecorriente persiste, se repite el ciclo de hipo. Los productos REDIIN120 cuentan con protección contra el hipo.

Por ejemplo, la fuente de alimentación de CA/CC REDIIN120-24 de 120 W funciona en modo de voltaje constante dentro de su rango de carga nominal (Figura 7). En el caso de la salida OCP, cuando se sobrepasa la intensidad nominal máxima entre el 105% y el 150% de su valor nominal, la unidad entra en un modo de intensidad limitada, que lleva la tensión de salida a aproximadamente el 80% de la consigna nominal. El aumento de la carga hace que la fuente de alimentación entre en modo de hipo con reinicio automatizado.

Las fuentes de alimentación modulares comerciales montadas en riel DIN de RECOM ofrecen soluciones rentables, compactas, fiables y fáciles de implantar para la automatización de fábricas. Las unidades están precertificadas conforme a las normativas obligatorias y se suministran con una gama de salidas de tensión e intensidad de CC estándar. Las fuentes ofrecen una serie de características de seguridad y opciones para alimentar cargas capacitivas e inductivas.