Lección 2

1. Universidad de Oviedo Lección 2 Especificaciones de Fuentes de Alimentación Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación

2. Especificaciones de entrada Funcionamiento Especificaciones de salida CONVERTIDOR ELECTRÓNICO FUENTE DE ENERGÍA CC o CA CARGA CC o CA Especificación técnica de un convertidor • Rendimiento • Protecciones de entrada • Protecciones de salida • Señales yAlarmas • Dimensiones • Normas • Temperaturas • Ventilación • Tiempo de mantenimiento • Tipo de fuente • Tensión máxima • Tensión nominal • Tensión mínima • Frecuencia • Contenido armónico de la corriente • Corriente de entrada al enchufar el equipo • Fluctuaciones rápidas en la tensión de entrada • Potencia máxima • Tensión de salida • Rizado de la tensión • Regulación estática • Regulación dinámica Especificaciones de Convertidores

3. Especificaciones de entrada La fuente de entrada puede ser de alterna o de continua Fuentes de alterna • La más habitual es la red eléctrica • Generadores movidos por motores de combustión • Aerogeneradores Especificaciones de Convertidores En el caso de convertidores conectados a la red, se debe especificar: Tensión nominal (valor eficaz): - 230 V en Europa - 240 V en el Reino Unido - 110 V en EE.UU - 100 V en Japón - 230 V en Australia En España se está migrando actualmente de 220 V a 230 V

4. Especificaciones de entrada • Márgenes de variación de la tensión de entrada: • En función de la hora del día y de la carga de la red, la tensión puede variar entre ciertos márgenes. Sin embargo, el convertidor debe poder funcionar con cualquiera de esas tensiones: • - En Europa: 190 – 265 V • - En EEUU: 90 – 130 V • Si el equipo es portátil y es susceptible de ser llevado en un viaje (ordenadores, máquinas de afeitar, cargadores de teléfonos, etc.) hoy en día es habitual especificar como rango de tensión de entrada el llamado Rango Universal: 90-265V. De esta forma, es posible conectar estos equipos en cualquier lugar del mundo Especificaciones de Convertidores Por motivo de ahorro de costes en gestión de stocks, muchos equipos industriales tienen también esta especificación

5. Desde el año 2001 las normas internacionales regulan el contenido armónico de la corriente de entrada de un equipo conectado a la red ie Equipo Norma EN 61000-3-2 Equipo ie Red Especificaciones de entrada Frecuencia: • La frecuencia de la red cambia según el lugar del mundo: • - En Europa: 50 Hz • - En EEUU: 60 Hz • - En Japón: El norte a 50 Hz y el sur a 60 Hz Se suele permitir una pequeña variación con respecto al valor nominal: ±3Hz Contenido armónico de la corriente de entrada: Especificaciones de Convertidores Corriente de entrada al enchufar el equipo (Inrush Current):

6. La Electricidad en el Mundo Especificaciones de Convertidores

7. Especificaciones de entrada Posibles fluctuaciones rápidas en la tensión de entrada: Hueco de tensión (“Outage”) Fallo de semiciclo de red Especificaciones de Convertidores Desvanecimiento (“Sag” o “Dip”) Elevación (“Swell”)

8. Especificaciones de entrada Fuentes de continua • Hay muchas fuentes de alimentación que tienen como entrada una tensión continua. Ésta puede provenir de: • - Una batería • - Un panel solar • - La salida de otro convertidor Especificaciones de Convertidores Baterías • Las tensiones de las baterías dependen del valor de tensión que produce cada célula electroquímica: • - Ni-Cd : 1,2V • - Pb: 2V • - Ni-Mh: 1,2 V Para obtener otro valor de tensión, se conectan células en serie

9. VBAT 13,6 V 10 V Tiempo Especificaciones de entrada • Durante el proceso de carga, la tensión de la batería sube por encima de su valor nominal. Podemos simplificar el modelo suponiendo que tiene una resistencia en serie. Por ejemplo, la batería de un coche (12 V) en carga sube hasta 13,6 V. • Cuando se descargan, las baterías mantienen su valor nominal durante casi todo el tiempo. Sin embargo, cuando está bastante descargada, la tensión empieza a decrecer. Si la tensión baja mucho, la batería se puede dañar. • La tensión mínima hasta la que se pueden descargar con seguridad es la tensión de descarga profunda. Por ejemplo, la batería de un coche (12 V) se puede descargar hasta 10 V. Especificaciones de Convertidores

10. Consorcio 42 V PowerNet: MIT y fabricantes de automóviles Especificaciones de entrada • Especificaciones típicas con baterías son: • - En coches: 12 V. Variación: 13,6 – 10 V • - Camiones: 24 V. Variación: 27,2 – 20 V • - Telecomunicaciones: 48 V. Variación: 54,4 – 36 V • Hasta hace poco se estaba llevando a cabo un proceso de migración en los automóviles para pasar de baterías de 12 V a baterías de mayor tensión. Los nuevos sistemas para automóviles se creía que iban a trabajar a 42 V. Especificaciones de Convertidores • Sin embargo, los coches eléctricos se están diseñando con baterías de alta tensión (en torno a 300 V). • El Toyota Prius (híbrido) usa una batería de 264 V.

11. 2 V, 3A 0,5 V 1 A Ipanel Se comportan como fuentes de corriente hasta que se sobrepasa un cierto valor. Hay una curva para cada valor de luminosidad y temperatura. En el punto de inflexión es donde se puede extraer la máxima potencia MPP L1, T1 1 A L2, T2 Vpanel 1 V 10 V MPP: Maximum Power Point Especificaciones de entrada Paneles Solares • Los paneles solares se construyen conectando en serie y en paralelo conjuntos de células fotovoltaicas fabricadas con silicio Especificaciones de Convertidores • La curva V-I de un panel solar tiene la siguiente forma:

12. CC/CC2 CC/CC1 Entrada Salida Especificaciones de entrada Otro convertidor como fuente de energía de entrada • En muchas ocasiones, a la salida de un convertidor se conecta otro en cascada Especificaciones de Convertidores • Por tanto, las especificaciones de entrada del convertidor CC/CC2 se corresponden con las especificaciones de salida del convertidor CC/CC1. De esta forma, especificaciones de entrada típicas pueden ser: • - 48 V en sistemas de telecomunicaciones • - 12 V en sistemas con microprocesadores • - 400 V en sistemas con corrección previa del factor de potencia

13. Pin Pout Convertidor Pin > Pout Pérdidas Especificaciones de funcionamiento Rendimiento • El rendimiento es una de las principales especificaciones de funcionamiento es de los convertidores. • En un convertidor IDEAL, la potencia de entrada sería igual a la de salida y, por tanto, el rendimiento sería del 100%. • Sin embargo, un convertidor real disipa una cierta cantidad de energía en su funcionamiento (pérdidas): Especificaciones de Convertidores Las pérdidas se disipan en forma de CALOR • Los convertidores electrónicos pueden llegar a tener rendimientos muy elevados (hasta el 98%). • Los rendimientos típicos oscilan entre el 80% y el 94% aproximadamente.

14. Protecciones típicas Especificaciones de funcionamiento Protecciones • En el funcionamiento habitual del convertidor puede haber situaciones fortuitas que lleguen a causar daños irreversibles al propio convertidor. Para evitarlo se implementan protecciones, tanto a la entrada como a la salida. • Sobretensión de entrada • Baja tensión a la entrada • Sobretensión de salida • Sobrecorriente de salida • Cortocircuito a la salida Especificaciones de Convertidores • En caso de que se produzca alguna de estas situaciones, los circuitos de control pueden intentar solventar el problema o simplemente apagar el convertidor Señales y alarmas • Además, se pueden activar sistemas de alarma para avisar de un problema • También es habitual tener LEDs de “Marcha”, “Standby”, etc.

15. Lo más habitual es que tengan forma de paralelepípedo, aunque según la aplicación pueden adaptarse a formas variadas H A L Especificaciones de funcionamiento Dimensiones • Una especificación fundamental es el tamaño del convertidor: Largo x Ancho x Altura Especificaciones de Convertidores • En aplicaciones industriales, los tamaños están normalizados para que se puedan adaptar a los racks Normas • De seguridad • De Compatibilidad Electromagnética • De construcción

16. Especificaciones de funcionamiento Temperaturas • Como en cualquier circuito, es necesario especificar el rango de temperaturas en el que puede trabajar correctamente el convertidor. • Lo normal es que el rango sea entre 0ºC y 45ºC, aunque depende de la aplicación. En automoción p.ej, el rango es más exigente. Ventilación Especificaciones de Convertidores • El convertidor puede estar diseñado para funcionar con convección natural o con ventilación forzada. Este dato es fundamental para dimensionar adecuadamente los radiadores.

17. Tensión de entrada 10 ms Tensión de salida El equipo al que alimenta no nota que la fuente de alimentación ha dejado de recibir energía durante 10 ms Especificaciones de funcionamiento Tiempo de mantenimiento (Hold-up time) • Si la tensión de red desaparece durante un corto periodo de tiempo, los equipos deben poder seguir funcionando. Este tiempo se especifica como tiempo de mantenimiento. • Los valores típicos a potencia máxima son 10ms o 20 ms. Especificaciones de Convertidores

18. Especificaciones de salida Potencia • La potencia máxima de salida condiciona fuertemente el diseño de los convertidores Tensión de salida • Es uno de los datos fundamentales de la especificación. Puede tener una gran importancia en la selección de la topología. • En general, el valor de la tensión de salida depende de la carga que se pretende alimentar: Especificaciones de Convertidores • Telecomunicaciones: 48 V, 24 V y 12 V. • Microprocesadores: 3,3 V, 1,5 V, 1,2 V y disminuyendo en las nuevas generaciones. • Equipos para automóviles (Radio, CD, etc): 12 V. • Equipos de audio: ±70 V. • Circuitos digitales en general: 5 V, 12 V.

19. V0 V0 Especificaciones de salida Rizado de la tensión de salida • La tensión de salida siempre tiene una componente de alterna indeseada superpuesta a la componente de continua (tensión nominal de salida). • A esta componente de alterna se le llama RIZADO. Su suele especificar la amplitud del rizado en forma de % con respecto al valor nominal. Especificaciones de Convertidores Especificaciones típicas son: 1%, 2%, 5% Regulación estática • En función del punto de trabajo (tensión de entrada y potencia de salida), el valor de la tensión de salida (la componente de continua) suele variar ligeramente. Esta variación se acota en las especificaciones del convertidor en forma de % con respecto al valor medio frente a variaciones de la tensión de entrada y de la potencia (o corriente) de salida. • Los valores típicos son: 1%, 3%, 5%.

20. V0 [V] 13 Valor nominal: 12V 12 40 ms 90 ms 11 10 Tiempo (ms) 20 40 60 80 100 120 140 160 Especificaciones de salida Regulación dinámica • Cuando hay un cambio repentino de la tensión de entrada o en la carga, el convertidor y el circuito de control que regula la tensión de salida tardan un cierto tiempo en responder. La especificación de regulación dinámica acota tanto la oscilación que se produce como el tiempo de estabilización de la tensión de salida Especificaciones de Convertidores • Las oscilaciones pueden llegar a ser de hasta el 10% y el tiempo de respuesta puede variar entre algunos s hasta decenas de ms. Todo ello depende fuertemente de la aplicación.