Gestión de la energía

Fuentes de alimentación

Una fuente de alimentación es un aparato eléctrico que suministra electricidad a una carga. En términos generales, se refiere a la generación y el control de las tensiones reguladas requeridas para operar un sistema electrónico. La función primaria de una fuente de alimentación es convertir la corriente eléctrica de una fuente a la tensión, la corriente y la frecuencia correctas para alimentar la carga. Los elementos de fuentes de alimentación pueden incluir componentes de circuitos integrados, como los reguladores de conmutación, los reguladores de tensión lineal, los convertidores de tensión de condensador conmutado, los convertidores CC-CC, las soluciones de CA a CC, los circuitos integrados de gestión de la energía PMIC, la gestión de baterías, la alimentación por Ethernet (PoE) y las referencias de tensión.

Algunas fuentes de alimentación vienen como unidades independientes, mientras que otras están integradas en los aparatos de carga que alimentan. Exigen gran estabilidad y protección de seguridad. Sus usos abarcan una gran variedad de tipos de productos, desde aparatos de consumo hasta servicios industriales, de milivatios a megavatios y de herramientas portátiles a comunicaciones satelitales. Las fuentes de alimentación industriales varían en su capacidad desde unos pocos vatios hasta muchos kilovatios y se pueden construir para cumplir con criterios complejos, como de enfriamiento por convección / sin ventiladores, reforzadas, con revestimiento conformado o con estanco para entornos adversos.

Las fuentes de alimentación pueden limitar a niveles seguros la corriente que extrae la carga y cortar la corriente en caso de un fallo eléctrico. Pueden realizar condicionamiento de potencia, prevenir que el ruido electrónico y los transitorios de tensión en la entrada lleguen a la carga. Pueden realizar corrección de factor de potencia y almacenar energía para seguir alimentando la carga en caso de una interrupción temporal de la fuente de alimentación. Como muchos dispositivos electrónicos requieren diversos niveles de tensión CC, los diseñadores deben desarrollar un método para transformar los potenciales de fuente de alimentación convencionales a las tensiones específicas para la carga. La conversión de tensión debe ser flexible, eficiente y fiable.

Las fuentes de alimentación de modo conmutado se usan generalmente para suministrar los diferentes niveles de potencia de salida CC requeridos para las aplicaciones de corriente, y son cruciales para la producción de sistemas de conversión de potencia CC-CC altamente eficientes y fiables. Algunos de los más populares son los convertidores reductores, elevadores, reductores-elevadores y de carril dividido.

La alimentación por Ethernet es una tecnología de amplio uso que permite a los dispositivos en red, como los teléfonos IP, los puntos de acceso de LAN inalámbrico, las cámaras de redes de seguridad y otros terminales basados en IP, recibir alimentación de forma paralela a los datos usando la infraestructura Ethernet CAT-5 ya existente sin necesidad de una fuente de alimentación separada. Minimiza tanto la complejidad como los riesgos asociados con el procesamiento de potencia CA. La actualización más reciente a la norma sobre PoE es IEEE 802.3at y se conoce como PoE+. Estos dispositivos suministran una salida de potencia máxima de 30 W por puerto.

El cargado inalámbrico elimina la necesidad de cables para cargar teléfonos móviles, aparatos inalámbricos y otros dispositivos electrónicos wearable. El sistema de cargado inalámbrico reúne un conjunto de chips de transistor y receptor que se puede adaptar según las necesidades de las aplicaciones y cumple con las principales normas de cargado inalámbrico, como el Qi de Wireless Power Consortium (WPC). La batería en un dispositivo cargado por baterías se puede cargar con un cargador inalámbrico simplemente ubicando el aparato cerca de un transmisor de potencia inalámbrico o una estación de carga certificada. La conocida ley de Faraday de tensión inducida es el concepto básico que se emplea en el cargado inalámbrico.

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CA-CC

La potencia de entrada puede ser corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). La corriente eléctrica en CA invierte su dirección de forma periódica, mientras que la CC ocurre cuando la corriente fluye en una dirección constante. La CC es el tipo de potencia preferida para los dispositivos electrónicos. Los convertidores de CA a CC son unos de los aparatos más significativos en la electrónica de potencia, ya que se usan en muchas aplicaciones de la vida real en las que la entrada es una tensión CA (onda sinusoidal de 50 Hz / 60 Hz) que requiere conversión de potencia a una salida CC.

Los convertidores CA-CC pueden tener múltiples salidas y pueden incluir protección contra sobrecorrientes, sobretensiones y cortocircuitos. Para convertir la CA suministrada a CC pura, un convertidor de CA a CC típico sigue cuatro pasos principales: reducir la tensión de alimentación; rectificar la onda sinusoidal; uniformar la forma de hunda para minimizar los rizados; y regular la tensión para producir la salida final CC.

El proceso de convertir la corriente alterna a corriente continua se conoce como rectificación. Los rectificadores se construyen con dispositivos semiconductores que conducen corriente exclusivamente en una dirección, como los diodos. Los tiristores son rectificadores semiconductores más avanzados. Los rectificadores se clasifican según factores como los tipos de alimentación, la configuración del puente y los componentes que utilizan. Se pueden clasificar en unifásicos y trifásicos según el número de diodos que utilizan. Pueden ser rectificadores de media onda, onda completa o de puente y también pueden ser de tipo controlado o no controlado. Los rectificadores no controlados proporcionan una tensión de salida CC fija para una fuente CC dada. Los rectificadores controlados emplean tiristores y diodos que ofrecen una tensión de salida CC ajustable al controlar la fase a la que los dispositivos se encienden.

La conversión de CA a CC se puede lograr usando topología as lineales o de conmutación. Los convertidores CA-CC de tipo lineal son simples y asequibles, pero también ocupan mucho espacio y son ineficientes. El exceso de potencia se convierte en calor, algo que puede ser indeseable para ciertas aplicaciones sensibles a la temperatura, pero con la ventaja de generar bajo ruido. Los convertidores CA-CC de tipo conmutado emplean una técnica de conversión de potencia de modo conmutado y son más complicados en comparación con los lineales. La lógica tras la utilización de topologías más complicadas generalmente se trata de mejorar la eficiencia, reducir el ruido o funcionar con un mayor control de potencia.

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CC-CC

Los convertidores CC-CC son fuentes de alimentación que convierten una tensión de corriente constante CC a varios niveles diferentes de tensión CC. Son un componente crucial para casi todos los circuitos electrónicos que necesitan diferentes tensiones para alimentar diversos componentes de circuitos. La entrada de un convertidor CC-CC es una tensión CC no regulada que se convierte en una tensión de salida CC regulada.

Debe funcionar dentro de parámetros CC definidos, como el rango de tensión de entrada, el rango de tensión de salida y la corriente de salida máxima, requeridos para cierta aplicación. La eficiencia, el rizado de salida, el control de carga, la respuesta ante transitorios, el rango de temperatura, el tamaño y el peso son algunas de las características de rendimiento adicionales que se deben tener en cuenta. Otro elemento importante que afecta la eficiencia y el ruido es la frecuencia de conmutación. Las frecuencias de conmutación más altas permiten componentes externos más pequeños, corrientes pico más bajas y menores pérdidas I2R, pero también aumentan las pérdidas del núcleo, las corrientes de carga de puerta y las pérdidas de conmutación.

Los convertidores CC-CC se dividen en dos tipos: lineales y conmutados. Mientras que los convertidores CC/CC lineales generan y regulan ciertas tensiones de salida mediante una caída de tensión resistiva, los convertidores de modo conmutado almacenan periódicamente la entrada de energía y luego la liberan a la salida a una tensión variable. El almacenamiento se puede realizar en un componente de campo magnético (inductor, transformador) o en un componente de campo eléctrico (condensador). Este método de conversión puede aumentar o reducir el nivel de tensión. Los reguladores lineales ofrecen menor ruido y mayor ancho de banda.

Los convertidores CC-CC de modo conmutado se dividen en aislados y no aislados. Los convertidores aislados ofrecen una barrera de aislamiento de entrada a salida con la ayuda de transformadores y optoacopladores. Esto permite que la tensión de salida flote y se use como una polaridad positiva o negativa con respecto al 0 V del sistema. Los convertidores aislados son útiles para romper bucles de conexión a tierra, separando las partes del circuito sensibles al ruido. Los requisitos de seguridad son una razón típica para usar un convertidor de potencia CC-CC aislado. El aislamiento separa la salida de tensiones peligrosas en la entrada y protege contra descargas eléctricas o cortocircuitos. Las aplicaciones de alta velocidad y de alta potencia emplean convertidores CC/CC aislados.

Cuando la variación de la tensión es mínima, se utilizan convertidores no aislados. En este circuito, los terminales de entrada y salida comparten una conexión a tierra común. Un bucle de retroalimentación cerrado se usa para mantener la salida de tensión constante con tensiones de entrada y cargas de salida variables.

Un convertidor CC/CC conmutado, también conocido como regulador, es un circuito que transfiere energía de una entrada a una salida usando un interruptor de potencia, un inductor, un diodo y un condensador. Estos se pueden combinar de diversas formas para producir los tipos de reductor, elevador y reductor-elevador. Un convertidor reductor genera una tensión de salida menor que la tensión de entrada y se llama convertidor buck. La topología de convertidor elevador produce una tensión más alta que la tensión de entrada y también se conoce como convertidor boost. Un convertidor reductor-elevador es una combinación de circuitos reductores y elevadores donde las tensiones de salida del convertidor pueden ser mayores o menores que la tensión de entrada.

Los convertidores de conmutación con altas y bajas capacidades de potencia tienen una gran variedad de aplicaciones, como fuentes de alimentación, sistemas de almacenamiento energético, sistemas de transmisión de energía, vehículos eléctricos, sistemas de propulsión de embarcaciones y trenes, aplicaciones de energía renovable y controladores de motores CC.

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Cargadores

La alimentación proveniente de la red eléctrica siempre es una corriente alterna (CA). Al cargar equipos electrónicos portátiles (como teléfonos celulares y coches eléctricos), la electricidad se convierte de corriente alterna a corriente continua (CC). Un sistema de cargado es un dispositivo que transfiere la energía de una red de alimentación de frecuencia constante y tensión constante a una corriente continua a fin de cargar la batería y hacer funcionar los sistemas eléctricos mientras están conectados.

En los sistemas cargados por baterías, la calidad de los circuitos de carga afecta de forma significativa la durabilidad y fiabilidad de la batería. Un buen cargador de baterías mejora la capacidad, aumenta la durabilidad de la batería y registra el proceso de carga. Para responder a los problemas de conversión de potencia portátil, se necesita una gran variedad de soluciones de gestión de baterías que admitan diversas composiciones químicas de las baterías. Los controladores de gestión de baterías son sistemas fiables, económicos y de gran precisión que necesitan pocos componentes externos, lo que tiene como resultado diseños más pequeños, sofisticados y menos costosos.

Las aplicaciones portátiles exigen tanto alta eficiencia de conversión como bajo consumo de potencia en modo de suspensión para conservar la durabilidad de las baterías. Para mantener niveles de potencia consistentes una vez las baterías se agotan, los paquetes de baterías multicelda pueden requerir conversiones de reducción (buck), mientras que las baterías de celda única pueden requerir conversiones de elevación (boost). El cargado de las baterías requiere una regulación constante de la corriente o la tensión. Estos dispositivos de cargado de baterías incluyen funcionalidades como preacondicionamiento de las baterías, corrientes de carga programables, umbrales de fin de carga y temporizadores de tiempo transcurrido, maximizan la capacidad del combustible y minimizan el tiempo de cargado, mientras mantienen la durabilidad de las baterías en circuitos de pocos componentes y área pequeña ideales para aplicaciones portátiles.

El cargado puede lograrse mediante carga conductiva / con cables, carga inductiva / inalámbrica o reemplazando la batería. Los sistemas de cargado que emplean la técnica conductiva / con cables tienen contacto directo entre el conector y el enchufe de cargado. Una toma eléctrica normal o una estación de cargado puede alimentar el cable. El cargado conductivo es preferible, ya que es mucho más económico y eficiente.

El cargado mediante la técnica inductiva / inalámbrica emplea un campo electromagnético para trasmitir la energía entre dos objetos. Esto generalmente se logra con la ayuda de una estación de carga. La energía se transfiere mediante el acoplado inductivo a un dispositivo eléctrico que a su vez puede usar esa energía para cargar las baterías o alimentar el dispositivo. Los cargadores de inducción emplean una bobina de inducción dentro de una base de carga para generar un campo electromagnético alterno, y una segunda bobina de inducción en el dispositivo portátil transforma la alimentación del campo electromagnético a una corriente eléctrica para cargar la batería.

Los vehículos eléctricos se cargan mediante enormes bancos de baterías compuestos por largas cadenas de baterías en serie. El paquete de baterías es una colección de baterías individuales que sirve como la fuente principal de combustible del vehículo. Los cargadores de vehículos eléctricos se diferencian según la velocidad a la que recargan las baterías. El uso óptimo y seguro de estas baterías requiere un sistema de gestión de baterías, que incluye sistemas de monitorización y control de almacenamiento de la potencia de las baterías, que garantice el buen estado de las celdas de las baterías y suministre la alimentación a los sistemas del vehículo. Cuenta con un conector de cargador de alta tensión que se conecta con la fuente de alta tensión para cargar la batería dentro del vehículo.

Existen varios tipos de conectores de cargado, módulos de gestión de la energía, circuitos integrados de alimentación y controladores de cargado, que se pueden usar en una gran variedad de aplicaciones con métodos de cargado conductivo e inductivo.

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Gestión de baterías

El crecimiento del sector de las baterías recargables lo impulsa el aumento en los dispositivos portátiles que funcionan con baterías, los vehículos eléctricos y las aplicaciones de almacenamiento energético e industriales. Las diversas composiciones químicas de las baterías incluyen plomo ácido, níquel cadmio, níquel hidruro metálico o ion de litio, y requieren tensiones de salida y corrientes de cargado extremadamente precisas para cumplir con las normas. Para mantener el buen estado de estas celdas en los paquetes de baterías y suministrar la alimentación necesaria, se requiere un sistema de gestión de baterías. La cartera de gestión de baterías incluye circuitos integrados de autenticación, de cargadores, de indicación de carga, de protección y de supervisión y monitorización de las baterías, que se pueden usar en una gran variedad de aplicaciones.

Un sistema de gestión de baterías es un sistema electrónico que gestiona el control de carga y descarga y ofrece otras funcionalidades avanzadas, como la protección, la monitorización y el equilibrio de celdas, el cálculo de la durabilidad de la batería, el control del entorno, etc. La función principal de estos sistemas es proteger las baterías y evitar cualquier operación que exceda los límites de seguridad. Cuenta con varios elementos básicos como FET de corte, monitor de indicador de carga, un monitor de tensión de celdas, un equilibrador de tensión de celdas, un reloj en tiempo real y una máquina de estado.

Existen diversos tipos de circuitos integrados de gestión de baterías disponibles. Los componentes funcionales se organizan de diversos modos que van desde un front-end análogo simple que equilibra y monitoriza los sistemas y requiere un controlador activo (un sistema altamente integrado que funciona de forma autónoma). El microcontrolador empleado en la gestión de baterías mide la tensión y la corriente de la celda en tiempo real y conmuta los MOSFET según corresponda.

En cuanto a la estructura del hardware, los tres tipos de topologías implementados en un sistema de gestión de baterías son arquitecturas centralizadas, distribuidas y modulares. Se colocan varios sensores en el paquete de baterías para reunir datos en la capa de monitorización. Los datos adquiridos en tiempo real se utilizan para garantizar la seguridad del sistema y para evaluar el estado de la batería.

La protección de las celdas incluye adquisición de datos de las tensiones, temperaturas y corrientes de las celdas. El análisis de datos determina el estado de la carga (SoC) y el buen estado (SoH) del paquete de baterías. Garantiza el control de componentes externos para mantener las celdas dentro de las condiciones recomendadas por los fabricantes (por ejemplo, ventiladores, calefactores) y el control de los componentes para aislar el paquete de baterías en caso de una falla en las celdas (contactores).

El equilibrio de las celdas ofrece una forma de compensar las celdas más débiles ecualizando la carga de todas las celdas del paquete de baterías para prolongar su durabilidad. Se emplean dos métodos de equilibrio de celdas: pasivo y activo. En el método pasivo, se usan resistencias de derivación para descargar la tensión excesiva y ecualizar las otras celdas. En el método activo, la carga excesiva de una celda se transfiere a otra con carga baja. Utiliza inductores y condensadores de almacenamiento de carga.

Los vehículos eléctricos se cargan mediante enormes bancos de baterías compuestos por largas cadenas de baterías en serie. El uso óptimo y seguro de estas baterías requiere un sistema de gestión de baterías, que incluye la capacidad de monitorizar y controlar los sistemas de almacenamiento de potencia, así como garantizar el buen estado de las celdas de las baterías y suministrar la alimentación a los sistemas del vehículo.

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Protección de circuitos

La protección de circuitos es el uso previsto de un dispositivo a prueba de fallos que causa una disrupción en un circuito eléctrico cuando detecta una carga excesiva y peligrosa de potencia (ya sea sobrecorrientes o sobretensiones) en un circuito. Las condiciones de sobrecarga se pueden definir como el funcionamiento del equipo por encima de las condiciones normales de carga completa o excediendo sus capacidades. Las corrientes de cortocircuitos (corrientes de fallo) generalmente ocurren con flujos de corriente altos anormales debido al fallo en el aislamiento de un conductor.

Los fusibles son dispositivos sensibles a la corriente diseñados con un pedazo de conductor que se derrite inmediatamente cuando el flujo de corriente es demasiado alto y rompe el circuito. Los fusibles reseteables, de cartucho y de alta capacidad de disyunción son diferentes tipos de fusibles.

Los fusibles son dispositivos de protección de circuitos, disponibles en una selección muy diversa. Esta línea de productos abarca diversos tipos de dispositivos de protección de circuitos y productos asociados. Los fusibles, clips de fusibles, portafusibles, bloques de fusibles, disyuntores y dispositivos reseteables de coeficiente de temperatura positivo (PTC) son ejemplos de productos para sobrecorrientes. Los varistores de óxido metálico (MOV), diodos de supresión de tensión transitoria discretos (TVS), tiristores, supresores de descargas electrostáticas (ESD) y tubos de descarga de gas (GDT) son ejemplos de productos para sobretensiones.

Los diodos Zener son unos de los dispositivos de protección de circuitos de uso más común. Si se utilizan en modo de polarización directa, restringen las tensiones a cerca de 0,6 V como cualquier otro diodo de silicio; pero cuando se usan en modo de polarización inversa, restringen la tensión a un valor específico.

Los varistores son dispositivos sensibles a la tensión que se usan para proteger los circuitos contra transitorios de tensión. Los varistores multicapa (MLV) son principalmente dispositivos de montaje en superficie con una estructura multicapa cerámica para proteger las placas de circuitos en la electrónica miniatura ante transitorios causados por descargas electrostáticas, cargas inductivas, conmutación y transitorios por rayos. Los varistores de óxido metálico son discos de oxido de zinc revestidos de epoxi que pueden tener terminales radiales o axiales. Los varistores de óxido metálico son dispositivos de rango medio que se usan para proteger maquinaria pequeña, fuentes de alimentación y componentes.

Un transitorio es un aumento súbito (de menos de 1 ms) en el flujo de la potencia. Los transitorios vienen de distintas fuentes entre las cuales las más comunes son internas, como la conmutación de la carga o incluso el funcionamiento normal de los equipos. Estos transitorios dañan, deterioran o destruyen los equipos electrónicos. Un dispositivo de protección contra transitorios es un componente que reduce el quantum de energía perjudicial que fluye en un sistema, y es el tipo de dispositivo de protección contra sobretensiones más común y mejor organizado. En el circuito de fuente de alimentación, el dispositivo de protección c ontra transitorios se coloca generalmente en paralelo con los carriles de potencia y se puede utilizar en cualquier fase de la fuente de alimentación. Los dispositivos de protección contra transitorios se construyen principalmente usando uno o más de los siguientes tipos de tecnologías: descargadores de chispa o tubos de descarga de gas, varistores de óxido metálico, diodos Zener o diodos de avalancha de silicio.

Los disyuntores, conocidos también como MCB, son principalmente mecánicos y funcionan como interruptores eléctricos que se abren cuando una corriente excesiva fluye por un circuito. Se pueden resetear sin causar daños, y un mecanismo de enclavamiento mantiene las conexiones primarias cerradas. Hacen que la electricidad se ha más segura en la vida diaria.

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