Como seleccionar una fuente de alimentación para aplicaciones con picos de potencia

Por Gary Bocock, Director Técnico de XP Power

Escoger una fuente AC/DC para sistemas con picos de potencia por períodos cortos de tiempo que son más altos que las condiciones nominales de trabajo, puede resultar en la elección de una fuente con más potencia y más coste del necesitado realmente. En estas aplicaciones, la potencia media requerida es típicamente más pequeña que la de pico, y se podría elegir otra fuente ahorrando costes y espacio de la misma, sin comprometer la fiabilidad del sistema o la vida del mismo. Usando una fuente capaz de soportar picos de carga pero al mismo tiempo con una potencia media de uso más pequeña, tendrá como resultado la elección de una fuente ocupando menos coste, peso, y espacio en el equipo.

Por ejemplo, en un sistema que requiera 300W por un período muy corto, utilizando una fuente que dé unos 200W de potencia nominal, pero que al mismo tiempo sea capaz de dar los 300W por ese período de tiempo, obtendremos un ahorro de costes, volumen y peso de la fuente que si eligiéramos una que diera 300W de potencia nominal, sabiendo que la potencia nominal media era sólo de 200W. La fuente debe ser eléctricamente segura para ofrecer ese pico de carga, y al mismo tiempo soportar térmicamente el nivel de potencia nominal.

Las aplicaciones que requieren altos picos de carga normalmente incluyen algunos elementos electromécanicos, como cabezales de impresoras, bombas, motores y accionamientos. Estos equipos tienen demandas de potencia media muy por debajo de los requisitos de picos potencia en un momento dado, y los encontramos en automatización industrial, dispositivos médicos, manejo de fluidos y materiales, robótica, máquina herramienta, de embalaje, equipos de test, dispensadores e impresoras.  

Fuente ECF40 de XP Power

Algunas fuentes especifican una capacidad de pico de potencia, que puede mostrarse de diferentes formas.

La fuente de alimentación tiene una capacidad de hasta 30 segundos con un ciclo de trabajo del 10 al 15% y un pico de carga que está justo por debajo de la Protección de sobre Corriente (OCP).

La OCP se establece normalmente alrededor de un 20 a un 30% por encima de la capacidad de corriente nominal. Se trata esencialmente de un diseño estándar, que se caracteriza por dar una duración corta de potencia por encima de la potencia nominal. Estas son aplicaciones donde se requiere un 20 o 30% adicional por un tiempo corto. Son aplicaciones típicamente electromecánicas que requieren temporalmente un pico de corriente. Aprovechando esas características de la fuente para soportar esos picos, tendremos una fuente con menos coste y más pequeña, pero la demanda de potencia media debe mantenerse por debajo del régimen continuo de trabajo máximo.

Un pico de hasta el 200% de la nominal en un período muy corto donde el OCP no reacciona ante la condición de sobrecarga.

Típicamente esto permite manejar picos de corriente entre 200 y 500 microsegundos. Este tipo de capacidad cubre un rango limitado de aplicaciones.

Una alta capacidad de potencia con una entrada de tensión alta, normalmente por encima de 180 Vac

Por ejemplo, una fuente de 1200W puede ser capaz de ofrecer 1500W de potencia continua nominal cuando operamos por encima de los 180 Vac de entrada. Esta es una fuente que claramente nos ahorra coste y tamaño si la entrada AC es alta, y es ideal para equipos de potencia elevada conectados de fase a fase, cuando la alimentación nominal monofásica es baja.

Una fuente con una topología y característica térmicas , diseñada para soportar altos picos de cargas electromecánicas.   

Estas fuentes pueden ofrecer hasta el doble de su potencia nominal durante 10 segundos o más, con ciclos de trabajo de hasta el 35% para, por ejemplo, las exigentes aplicaciones electromecánicas en control de procesos industriales.

Las fuentes modulares flexPower de XP son un ejemplo. Permiten varias salidas estándard con una capacidad de una alta corriente de pico.

Series GCS de XP Power

A menudo pasamos por alto, cuando consideramos cargas de pico, si las fuentes son con ventilación por convención (natural) , y, si añadiendo ventilación forzada obtenemos aún más potencia. No es raro obtener hasta un 50% más de potencia si aplicamos ventilación forzada a algunas fuentes que también trabajen con ventilación por convección. Estas fuentes son normalmente en formato abierto “open frame” o en formato de “U”, y cubren potencias de hasta 500 – 600W. Están diseñadas para trabajar tanto eléctricamente, para ofrecer el máximo de potencia con ventilación forzada, como térmicamente, para ofrecer la potencia en régimen de ventilación por convección.

En general, cuanta más diferencia entre la potencia dada con ventilación forzada y la de convección, más pequeña la capacidad de picos de carga. Un beneficio para el diseñador del equipo es que estas fuentes dando dos potencias (forzada/convección) identifican los componentes clave y sus valores de temperatura de trabajo para asegurar una operación segura y fiable cuando se instale en sus equipos. Esta información se puede utilizar para fijar que la fuente permanecerá segura y fiable en una aplicación con picos de carga, monitorizando la temperatura de estos componentes clave en el momento de la fase de desarrollo del equipo.  

La especificación también suele indicar el tiempo de vida esperado en base a las temperaturas de los condensadores electrolíticos, que permiten la confirmación de la idoneidad de la fuente en función de los requisitos del sistema.

Cuando se selecciona una Fuente de alimentación para una aplicación con picos de carga, si nos basamos en la potencia dada con ventilación forzada y por convección, el parámetro clave es la potencia máxima requerida, que no debe exceder la potencia dada con ventilación forzada, la duración máxima del pico, el ciclo de trabajo, y la potencia consumida por la carga cuando no hay condiciones de pico, para asegurar que no se superen los valores por convección de la fuente.  

El siguiente ejemplo se basa en una fuente en formato abierto (open frame) , con una potencia de 250W con ventilación forzada, y una potencia  de 180W por convección, modelo GCS250 de XP Power.

Operando sin ventilación forzada, donde el sistema requiera una carga de pico de 250W de 10seg por cada 40seg o un ciclo de trabajo del 25%. Este requisito de pico de carga (Ppk) define la máxima potencia durante el régimen de trabajo sin picos de carga, y así la potencia media no superará la potencia dada por convección.

En este caso, la máxima potencia disponible cuando no haya condiciones de pico (Po) será de 156W, con tal de que no se supere la potencia dada por convección (Pav). (fig. 1).

Figura 1: Frecuencia de la potencia de pico 

Utilizando la misma fórmula (fig. 2) , si el ciclo de trabajo se reduce un 15%, o 10seg cada 67seg, entonces la potencia sin condiciones de pico (Po) se puede aumentar hasta los 168W sin superar la potencia por convección media de 180W. (fig. 3)

Figura 2

Los cálculos muestran que estas condiciones de funcionamiento no excedan las especificaciones de la fuente de alimentación. De todas formas, como hemos comentado anteriormente, hay que considerar también las temperaturas de los componentes clave de la fuente, cuando se instale en el equipo final para garantizar un funcionamiento seguro y fiable durante la vida útil diseñada para esos equipos.

Figura 3: Frecuencia de la potencia de pico

Las siguientes figuras muestran la temperatura máxima de los componentes para la fuente mencionada, para asegurar que se cumplen los requisitos de seguridad, fiabilidad, y la vida útil prevista de la fuente en función de la temperatura media de trabajo de los condensadores durante la vida útil de los equipos. 

  

Figura 5: Tabla de medidas de temperaturas

Figura 6: Temperaturas máximas del componente C23

Figura 7: Temperaturas máximas del componente C6

Con el fin de garantizar un funcionamiento seguro de la fuente de alimentación en el equipo final, no se deben superar las temperaturas de los componentes que aparecen en el listado de la figura 5. La temperatura podría monitorizarse utilizando termopares de tipo K, colocados en la parte más caliente del componente (fuera del flujo de aire directo). Ver detalles mecánicos para la ubicación de estos componentes (Fig. 7).

Figura 7: Ubicación interna de los componentes en la fuente

Al seleccionar y evaluar fuentes como la que hemos mencionado de XP Power, con datos térmicos fácilmente disponibles, en lugar de elegir una fuente que dé de forma continua toda la potencia de pico que se pide en un período corto de tiempo, da como resultado elegir una fuente más económica, más pequeña, y de menor volumen, sin comprometer el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil del equipo final.