Fuentes de Alimentación

Cuando los picos de potencia son importantes en las aplicaciones médicas

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Las fuentes de alimentación están en todas partes y no hay equipo electrónico que no tenga una. Alimentadas por batería o por la red, hay tantas soluciones de alimentación como aplicaciones, y desde los sensores corporales alimentados por energía recolectada hasta los sistemas de alta potencia para imágenes médicas como la resonancia magnética, las fuentes de alimentación médicas tienen todo un requisito común: ser seguras, fiables y eficientes energéticamente.

Si la gran mayoría de los equipos médicos requieren fuentes de alimentación convencionales que se ajusten a su entorno de funcionamiento, corriendo de hecho una maratón al suministrar energía constante día tras día durante su vida útil, ciertas categorías de aplicaciones requieren una fuente de alimentación que suministre picos de potencia, ya sea de forma ocasional o repetitiva. Para estas aplicaciones, los fabricantes de equipos médicos deben tener en cuenta una serie de parámetros para asegurarse de que la fuente de alimentación que seleccionen sea capaz no sólo de correr una maratón, sino también, en ciertas aplicaciones específicas, de realizar una carrera de velocidad sin comprometer la seguridad, el rendimiento y la fiabilidad.

¿Qué hay que tener en cuenta cuando un maratón requiere un rendimiento de carrera de velocidad?
Aunque para los fabricantes de equipos médicos es evidente que una fuente de alimentación debe cumplir las normas de seguridad (EN/IEC 60601-1), su rendimiento de salida depende en gran medida del comportamiento de la carga del equipo final. Si en los sistemas de monitorización y supervisión el consumo de potencia es relativamente estable y fácil de predecir, en los equipos médicos como las camas medicalizadas, las bombas de infusión, la ventilación asistida de los pacientes, incluidos los motores de corriente continua, y los interruptores electromecánicos que se comportan como cargas inductivas o capacitivas, es posible que la fuente de alimentación tenga que suministrar potencia adicional durante un período de unos pocos milisegundos a segundos (Figura 01). Aunque el tiempo de duración de los picos de potencia puede considerarse corto en comparación con el tiempo de funcionamiento normal, hay que tenerlo muy en cuenta para evitar costosas sorpresas.

Aparte de la tensión y la potencia de salida, el tipo de carga determinará lo que es importante que el diseñador del sistema tenga en cuenta. Hay muchas posibilidades y en algunos equipos la fuente de alimentación principal podría alimentar una variedad de sistemas y subsistemas con diferentes perfiles de carga y eso es obviamente más complejo de abordar. Para simplificar, podríamos enumerar cuatro tipos básicos de cargas: inductivas, capacitivas, de corriente constante y resistivas no lineales. Todas ellas tienen un comportamiento específico que requiere atención a la hora de seleccionar una fuente de alimentación para cada aplicación de este tipo.

Tipos de cargas, en síntesis:
Carga inductiva: Las cargas como los motores y los interruptores electromagnéticos (por ejemplo, relés, interruptores magnéticos) con una característica inductiva se denominan cargas inductivas. En el momento de aplicar una tensión a un motor de corriente continua, circulará por la carga una corriente varias veces superior al valor nominal; mientras que en el momento de cortar la tensión, debido a la componente inductiva de la carga se generará una tensión de fuerza contraelectromotriz E= -L× (di / dt). Por lo general, al aplicar una tensión a una carga inductiva, la fuente de alimentación puede mantener la energía requerida por la demanda máxima sólo hasta el límite de su función de protección contra sobre corriente (OCP) (Figura 02). Si se sobrepasa el límite, aunque sea por poco tiempo, la fuente de alimentación puede pararse. Esta es la razón por la que la carga máxima debe estar bien definida para seleccionar una fuente de alimentación adecuada con una protección de sobre corriente que permita el aumento de potencia durante un tiempo y una secuencia definidos. Además, al apagar la tensión de salida, debido a la fuerza contraelectromotriz generada (en la mayoría de los casos, es absorbida por los condensadores electrolíticos de la fuente de alimentación), puede dispararse el circuito de protección contra sobretensiones de la fuente de alimentación, y ésta dejar de salir. En este caso, deben tomarse medidas como la inclusión de un diodo de protección contra la tensión inversa.

Carga capacitiva: Una carga con un componente de capacitancia se llama carga capacitiva. Por ejemplo, los condensadores insertados con el fin de reducir la tensión de rizado de la fuente de alimentación, y los condensadores utilizados para hacer frente a los picos de carga, etc. Para este tipo de carga, en el momento de aplicar una tensión fluirá una corriente de carga muy grande ipeak = (V/R) siendo R la resistencia en serie (parásita), debido a que no hay carga en el condensador. Aunque la fuente de alimentación puede detectar y controlar la tensión de salida, si se inserta un condensador de gran valor (más de varias decenas de miles de microfaradios) en el lado de salida, dicho control puede no ser capaz de darse cuenta de lo que está ocurriendo, y la tensión de salida puede volverse inestable. Es importante que los diseñadores de sistemas tengan en cuenta la cantidad total de capacitancia instalada en sus equipos y verifiquen la capacidad de la fuente de alimentación para suministrar el pico de energía necesario para cargar eficientemente la carga, que en algunas aplicaciones podría ser de varios faradios.

Carga de corriente constante: Una carga en la que la corriente se mantiene constante, aunque la tensión de carga varíe se denomina carga de corriente constante; un ejemplo es la iluminación LED en los quirófanos. Es importante tener en cuenta el tipo de protección contra sobreintensidades que incorpora la fuente de alimentación. Si, por ejemplo, la característica de protección de sobre corriente de la fuente de alimentación es del tipo de repliegue de corriente, es posible que la tensión de salida no pueda aumentar (Figura 02). Esto se debe a que la tensión de salida se estabiliza en la línea de caída de la característica de protección de sobre corriente de la fuente de alimentación desde que se aplica una tensión hasta que se alcanza la tensión nominal. Generalmente, cambiando la característica de protección de sobre corriente a un tipo de limitación de corriente máxima, el problema puede ser resuelto.
Resistivo no lineal: Algunos equipos utilizan elementos calefactores o lámparas con filamentos en los que la resistencia cambia cuando pasa la corriente. Aunque esta fase de calentamiento con un cambio monotónico de la resistencia puede durar poco tiempo, para la fuente de alimentación puede parecer una corriente constante que supera el valor umbral de su protección de sobre corriente incorporada.
En las breves descripciones anteriores se ha mencionado la protección de sobre corriente, que es una parte muy importante de una fuente de alimentación. Garantiza que la fuente de alimentación, en el caso de una situación de exceso de corriente que puede ocurrir accidentalmente o como resultado de un fallo del equipo, proteja el equipo y eventualmente señale el fallo mediante una señal al operador, por ejemplo, un LED o una señal transmitida por el BUS de comunicación.

Resumen de la protección contra sobre corriente:
Como se ha explicado anteriormente, cuando la corriente/potencia de salida supera un límite definido, pueden producirse varios tipos de daños en la fuente de alimentación o en el equipo alimentado. Además de evitar que la corriente supere el valor nominal, el circuito de protección también desempeña la función de limitar la corriente de cortocircuito. Dependiendo del tipo de aplicación y de los requisitos específicos del sistema, cuando se activa el OCP pueden producirse varios efectos, la salida podría desconectarse permanentemente con un rearme manual, desconectarse temporalmente con un rearme automático, o comportarse como una corriente constante de nivel fijo, pero seguro (Figura 02).

Cuando se enciende una fuente de alimentación o un dispositivo eléctrico, fluye una corriente inicial elevada hacia la carga, que comienza en cero y aumenta hasta alcanzar un valor máximo. La razón principal de este pico inicial es cargar los grandes condensadores de desacoplamiento o amortiguación dentro de la fuente de alimentación y el equipo final. Durante esta secuencia, a medida que los condensadores se cargan o los dispositivos salen de un estado frío, la corriente aumenta muy rápidamente desde cero, subiendo hasta la corriente de pico y luego disminuyendo gradualmente hasta la corriente de estado estable (Figura 03). Durante este periodo, la fuente de alimentación debe suministrar suficiente energía para cargar los condensadores y suministrar la potencia necesaria a la carga sin activar la protección contra sobre corriente (OCP), lo que desconecta la salida. Además, algunas cargas pueden comportarse inicialmente como un cortocircuito y requerir que la fuente de alimentación no entre en modo de protección.

Para adaptarse a esta secuencia de arranque, las fuentes de alimentación están diseñadas para permitir un cierto nivel de sobre corriente, y es habitual fijar el umbral de OCP en torno al 110% del valor nominal máximo.
El 110% es suficiente para la inmensa mayoría de las aplicaciones, aunque en el caso de equipos médicos exigentes que requieren niveles de potencia de pico en el rango del 200-300% durante segundos, entonces el 110% no funcionará y se requiere una fuente de alimentación diseñada no sólo para suministrar una alta potencia de pico, sino para garantizar la máxima fiabilidad durante toda la vida útil del equipo final.

¡Correr un maratón a niveles de rendimiento de sprint!
Una forma sencilla de garantizar que la fuente de alimentación suministre suficiente energía cuando se requiera una potencia extra es elegir una unidad de potencia nominal para la potencia máxima requerida durante el pico de demanda. Por ejemplo, si la potencia máxima constante que necesita un aparato es de 500 W y el pico es de 1.000 W, teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento, como la tensión de entrada, la temperatura ambiental, la reducción de potencia, etc., el diseñador del sistema podría considerar una fuente de alimentación de 1.200 W como la solución más adecuada.
Esto parece obvio pero excesivo cuando el pico sólo se produce ocasionalmente. Por ejemplo, cuando se activa un motor de CC para colocar la cama de un paciente y luego se apaga y la fuente de alimentación sólo alimenta el sistema de control. También es excesivo para los sistemas que requieren cargas de pico repetitivas durante un tiempo limitado en comparación con la potencia de estado estable.

La elección de una fuente de alimentación para aplicaciones de carga máxima requiere que se evalúen las condiciones de funcionamiento durante la vida útil del equipo y que se tengan en cuenta todos los aspectos, incluidos el tamaño, el peso y el precio. Comprar una fuente de alimentación de 1200W cuando una carga de pico representa una parte limitada del funcionamiento puede no ser la mejor opción.
Los fabricantes de fuentes de alimentación han desarrollado soluciones de alimentación capaces de suministrar una potencia adicional considerable, del orden del doble de la nominal, o incluso más de la máxima, durante una duración significativa. Para ello, la fuente de alimentación debe estar diseñada para albergar suficientes condensadores (Figura 04), pero también para tener un tren de potencia capaz de sostener picos de demanda repetitivos sin sobrecalentarse ni afectar negativamente a la fiabilidad.
Como ejemplo, podemos echar un vistazo al comportamiento de la tensión de salida de la serie COSEL 600W AEA600F (Figura 05) al aplicar una carga máxima a la salida. El producto probado es una unidad de potencia nominal de 600W, que entrega 24V a una corriente nominal de 25A. Como se presenta en la Figura 06, el tren de potencia y los condensadores de salida se han seleccionado para sostener un pico de potencia dos veces nominal durante una duración de 1000 milisegundos. En la Figura 06 se representan dos condiciones: de ausencia de carga a 52,5A de pico, y de media carga de 12,25A a 52,5A de pico. En ambas condiciones, la tensión se mantiene dentro de los límites especificados y el OCP no apaga la salida.

Conclusión
Correr un maratón con niveles de rendimiento de carrera de velocidad en las fuentes de alimentación médicas es una realidad, y aunque la gran variedad de aplicaciones requiere diferentes tipos de fuentes de alimentación, la tecnología está facilitando a los diseñadores de sistemas la elección de los productos adecuados para sus aplicaciones. Todo ello sin mencionar las fantásticas oportunidades que brindan las nuevas tecnologías, como los semiconductores de banda ancha, los supercondensadores y el control digital, que llegan a la próxima generación de fuentes de alimentación y hacen que la vida de los diseñadores de sistemas de alimentación sea muy emocionante.


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Autor: Patrick Le Fevre
Referencias:
Powerbox (PRBX)

COSEL

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