Los dispositivos electrónicos de las aplicaciones de automatización de fábricas suelen estar sujetos a algunas de las normas más estrictas para cumplir diversos requisitos de seguridad funcional. Para garantizar la seguridad del operario y del entorno circundante, así como el buen funcionamiento de las instalaciones, todos los dispositivos de estos sistemas se someten a escrutinio.

Muchas fuentes de alimentación CA/CC disponibles en el mercado pueden no ser suficientes, ya que pueden no tener la protección adecuada contra transitorios de sobretensión, ruido de sistemas externos y otros mecanismos de protección para garantizar el funcionamiento fiable del componente. Las fuentes de alimentación de estas aplicaciones también deben ser resistentes para soportar los factores ambientales y mecánicos habituales, como vibraciones y golpes. La temperatura ambiente podría afectar negativamente al rendimiento del dispositivo, por lo que también deben tomarse medidas para evitar fallos prematuros debidos a temperaturas altas/bajas y humedad relativa variable. Este artículo se sumerge en los diversos factores a tener en cuenta a la hora de seleccionar una fuente de alimentación para aplicaciones industriales y robóticas de alta fiabilidad y cómo las fuentes de alimentación CA/CC TBF500 de 500W del fabricante P-DUKE y distribuidas por Electrónica OLFER están diseñadas para estos entornos difíciles.
Fuentes de alimentación CA/CC en la automatización industrial
Hay muchos ejemplos en los que se necesita una fuente de alimentación de CC regulada a partir de una entrada de CA en la automatización industrial. Los accionamientos de motores y otros sistemas de control de motores necesitarán estas fuentes de alimentación para encender motores de CC y, en algunos casos, controlar su velocidad. Por ejemplo, en una bomba industrial, el líquido se procesa a velocidades variables. Al arrancar, un motor provoca una gran corriente de arranque que puede causar caídas de tensión en la línea de alimentación y dañar otros equipos o puede obligar a reiniciar el sistema. Estos accionamientos suelen utilizar contactores y unidades de arranque del motor para aislar y proteger otros componentes electrónicos. En la mayoría de los casos, las unidades de arranque del motor, los contactores, los relés y los variadores de velocidad requieren una tensión regulada de 24Vcc. Los controladores lógicos programables (PLC), las interfaces hombre-máquina (HMI), los sensores (p. ej., presión, nivel de líquido, temperatura/humedad) y los actuadores (p. ej., terminales de válvulas) también suelen convertir la tensión de línea a 24Vcc para funcionar. Estos sistemas están repartidos por los sistemas de automatización industrial de forma universal, lo que hace que las piezas que los componen (es decir, la fuente de alimentación CA/CC) sean importantes para mantener las operaciones. Para que estos sistemas funcionen sin problemas, de forma segura y tengan una larga vida útil, las fuentes de alimentación también deben ser de alta calidad en términos de cumplimiento de normas, robustez y características de seguridad internas.
La serie TBF500 de P-DUKE (incluida en el amplio catálogo de producto de Electrónica OLFER) es una fuente de alimentación de 500W totalmente encapsulada y montada en el chasis del sistema para disipar el calor en aplicaciones de alta temperatura. Con un rango de entrada universal de 85 a 264Vca, la TBF500 puede alimentarse de CA estándar (120Vca, 230Vca o 240Vca) y salida de 12, 15, 24, 28, 48 y 54Vcc para alimentar. Con sus diversas características, el TBF500 es muy adecuado para algunos de los casos de uso citados anteriormente.

Cualificaciones de seguridad: Categoría de sobretensión (OVC) III
Las aplicaciones de automatización de fábricas y edificios exigen cada vez más niveles de categoría de sobretensión III (OVC III). Estas categorías figuran en varias normas de seguridad internacionales. La más citada es la norma IEC 60664-1, que se centra en los requisitos de aislamiento (es decir, distancias de fuga y separación) para sistemas de baja tensión. Otras son la norma IEC/EN/UL 62368-1 sobre seguridad de las tecnologías de la información, la IEC/UL 61010-1 sobre seguridad de los equipos utilizados en entornos de prueba y medición (T&M), la UL 508 sobre seguridad de los equipos de control industrial, etc. (por ejemplo, IEC 60364 y EN 50110).
El nivel de OVC variará en función de dónde esté instalado un equipo eléctrico concreto. Dependiendo de su ubicación, puede que tenga que soportar diferentes niveles de sobretensiones transitorias debidas a factores como rayos o variaciones inestables de la red. La Tabla 1 y la Tabla 2 muestran las tensiones transitorias toleradas para distintos niveles de OVC a distintas tensiones nominales, así como la ubicación de los equipos con distintos niveles de OVC.

Como se muestra en la Tabla 2, los circuitos de nivel de distribución y los equipos industriales con una conexión permanente a la instalación fija, como los sistemas de control de motores, los paneles de distribución y los centros de carga, pueden utilizarse de forma segura con un nivel OVC III. La fuente TBF500 está clasificada como OVC III y protege tanto a los equipos como a los operarios. Observe que sólo se necesitan unos pocos componentes adicionales para cumplir la norma EN/IEC 50032, Clase B, función de limitador de corriente de irrupción y OVC III (categoría de sobretensión) (Figura 1)
Esta fuente puede utilizarse, por ejemplo, en los módulos de salida digital dentro de los PLC de seguridad que toman las señales relativamente débiles de un procesamiento lógico de un programa de automatización y las convierten en señales más fuertes con niveles de corriente y tensión capaces de accionar dispositivos de salida (por ejemplo, solenoides en válvulas, motores paso a paso, relés, luces indicadoras, bobinas, alarmas, frenos mecánicos, etc.). A menudo utilizan una fuente de alimentación externa, ya que los módulos de salida digital contienen dispositivos de control (por ejemplo, opto acopladores, diodos, triacs, etc.) con mayores niveles de potencia/corriente (en relación con el módulo de entrada digital/microprocesador interno), como se muestra en la Figura 2.

Figura 1: El circuito de aplicación típico para el TBF500, donde se utilizan algunos componentes adicionales para calificar para varios estándares y protecciones.

Figura 2: Circuito de muestra simple de un módulo de salidas digitales para un PLC.

Yendo más allá, los sistemas de instrumentos de seguridad (SIS) de las instalaciones industriales deben garantizar a menudo un nivel de seguridad de los instrumentos (SIL). Para ello, hay que evaluar la fiabilidad o probabilidad de fallo (PFD) de cada componente del sistema. Por tanto, tanto los componentes mecánicos como los eléctricos deben analizarse para detectar posibles problemas que puedan surgir durante su vida útil. En el caso de los equipos eléctricos, esto suele reducirse a las redundancias del sistema, el cumplimiento de diversas normas, como el nivel de coordinación del aislamiento (es decir, la categoría OVC), y el sobredimensionamiento de los dispositivos eléctricos, de modo que la corriente/tensión nominal sea muy superior a la corriente/tensión de funcionamiento.

La homologación de seguridad IEC/UL/EN 62368-1
El TBF00 también cuenta con la homologación de seguridad IEC/UL/EN 62368-1. La norma de seguridad 62368-1 puede aplicarse tanto a la tecnología de consumo como a la empresarial en audio/vídeo (A/V) y tecnología de la información y la comunicación (TIC) que se basa en el enfoque de ingeniería de seguridad basada en peligros (HBSE). Este enfoque tiene en cuenta el tipo de fuente de energía del equipo (por ejemplo, Clase 1, 2 o 3), determina las salvaguardias adecuadas para evitar daños personales o materiales y comprueba la eficacia de las salvaguardias. Las fuentes de alimentación internas y externas de los equipos industriales pueden tener que cumplir esta normativa, sobre todo si el sistema que utilizan entra dentro de los equipos de A/V o TI (por ejemplo, webcam, routers, micrófonos, tarjetas de sonido, tarjetas de captura de vídeo, etc.).

Conformidad electromagnética (CEM)
Hay muchas fuentes de ruido en las instalaciones industriales. Los equipos SAI, por ejemplo, pueden generar formas de onda no sinusoidales que transportan armónicos y ruido que los equipos cercanos pueden conducir. Esto puede interferir (y a menudo lo hace) en el funcionamiento de los equipos electrónicos. Los grandes componentes giratorios pueden generar fluctuaciones en el suministro eléctrico y provocar EMI no deseadas. Cada vez son más las fuentes de alimentación que incorporan dispositivos de conmutación rápida, como los MOSFET de potencia SiC, que pueden generar EMI si no se filtran adecuadamente. Es fundamental que la EMI se trate a nivel de dispositivo para mantener el funcionamiento de la planta. Las fuentes de alimentación deben cumplir las normas CEM. El TBF500 se prueba de acuerdo con varias condiciones dentro de las normas EN/IEC 55032 o EN 61000, como se muestra en la Tabla 3. Tenga en cuenta que la EMI del TBF500 puede reducirse adicionalmente conectando cuatro tornillos al plano de apantallamiento.

Funciones de protección
Además de cumplir las distintas normas de seguridad, la propia fuente de alimentación debe disponer de una serie de funciones de protección para evitar fallos. La TBF500 incluye protección contra sobre corriente, protección contra cortocircuitos (SCP), protección contra sobre temperatura (OTP) y protección contra sobretensión de salida. En el caso de la OCP, el TBF500 se apagará cuando la corriente supere el límite especificado de la fuente de alimentación. Después de un breve periodo de tiempo, la fuente de alimentación se reiniciará y, si la sobre corriente sigue presente, se apagará una vez más, de ahí el término "modo hiccup". El SCP utiliza un modo de recuperación automática similar en el que la fuente de alimentación se apagará en presencia de un cortocircuito y se reiniciará de forma intermitente hasta que se resuelva el cortocircuito. Un termistor interno activará la función OTP y hará que la fuente de alimentación entre en modo de hipo hasta que se resuelva el problema de temperatura. La protección contra sobretensión de salida utiliza el modo de enganche, que requiere un reinicio manual tras detectar una sobretensión. Todas estas funciones protegen el dispositivo frente a variaciones y fallos de la fuente de alimentación.
También se puede implementar una función de limitador de corriente de irrupción con equipos adicionales para proteger la fuente de alimentación de la corriente de irrupción que suele producirse al arrancar un motor (Consulte la Figura 1). Esto resulta especialmente útil en entornos industriales con componentes que presentan una baja impedancia al encenderse, lo que provoca un aumento de la corriente, también conocido como corriente de irrupción. Esta corriente de irrupción puede observarse en circuitos que contienen condensadores que se descargan rápidamente o, más comúnmente, con motores que al arrancar se aceleran para alcanzar su potencia especificada en el arranque. Los motores se utilizan en muchos procesos y sistemas de planta (por ejemplo, poleas, cintas transportadoras, correas, robótica, etc.), por lo que a menudo es importante asegurarse de que un circuito conectado no resulte dañado por la posible corriente de irrupción.

Robustez ambiental y mecánica
La seguridad y el cumplimiento de la normativa son fundamentales en las aplicaciones de automatización industrial que requieren una alta fiabilidad. También hay que tener en cuenta la resistencia ambiental y mecánica de una fuente de alimentación. Hay casos en los que el dispositivo puede estar expuesto a vibraciones constantes e incluso a golpes mecánicos. También hay que tener en cuenta los factores de estrés ambiental, como la exposición a altas (y bajas) temperaturas, los ciclos de temperatura y la exposición a humedades relativas elevadas. Para casos de uso más especializados, también existe la posible exposición a productos químicos agresivos en instalaciones industriales (por ejemplo, atmósfera salina, atmósfera explosiva, fluido hidráulico, aceite de motor, etc.). Hay casos en los que los dispositivos necesitarán protección frente a estos posibles resultados.
Una de las normas clásicas que se ocupa de las pruebas contra diversos factores de estrés ambiental es la norma militar estadounidense MIL-STD-810F (Tabla 4). El TBF500 ha sido probado de acuerdo con la norma MIL-STD-810F en cuanto a altitud de funcionamiento (5000m o 16.400'), choque térmico, choque mecánico y vibración. También puede funcionar con una humedad relativa de hasta el 95%.

Este nivel de robustez requiere un diseño especial y una construcción única. Por ejemplo, para poder funcionar en fábricas o instalaciones que operan a gran altitud, se necesitan mayores distancias de separación y fuga para limitar el riesgo de arco eléctrico de alta tensión. Es más probable que esto ocurra a mayor altitud, ya que la atmósfera es más fina y, por tanto, un aislante menos eficaz. El aire también es menos eficaz a la hora de eliminar el calor de la placa de circuito impreso, lo que puede provocar problemas de gestión térmica. Todo esto debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar una fuente de alimentación para grandes altitudes.

Gestión térmica y tamaño
En el caso de las fuentes de alimentación, la gestión térmica y el tamaño del encapsulado suelen estar relacionados. La densidad de potencia y la eficiencia de la propia fuente son importantes para reducir el tamaño total de la solución. Las fuentes TBF500 están totalmente encapsuladas con 500W de potencia en un compacto encapsulado tipo ladrillo (4,2 "x 2,4 "x 0,5"). El dispositivo funciona con una eficiencia de hasta el 93% y un bajo consumo de 0,6W en vacío. Su altura de 12,7mm permite instalar fácilmente la fuente de alimentación en espacios con perfiles limitados. El factor de forma totalmente encapsulado, junto con la refrigeración de la placa base, es una medida eficaz para contrarrestar la generación de calor, lo que permite a esta fuente de alimentación CA/CC manejar aplicaciones robustas en entornos exigentes de -40°C a 105°C con reducción de potencia (Figura 3).
El módulo también puede ponerse en paralelo con una función opcional de reparto de corriente que permite un máximo de tres módulos para aumentar la potencia de salida hasta 1.275W (Figura 4). Tenga en cuenta que cada módulo no debe superar el 85% de la potencia de salida máxima.

Figura 3: Curvas del TBF500.

Figura 4: El diagrama debe mantener en paralelo la conexión de tres módulos TBF500 para aumentar la potencia de salida máxima. Cabe señalar que la aplicación es para -S: versión de la función Load Share.

Conclusión
El TBF500 ha sido probado y certificado según numerosas normas, lo que lo hace más óptimo para aplicaciones de alta fiabilidad como la automatización de fábricas. El nivel de aislamiento OVC III combinado con su homologación de seguridad IEC/UL/EN 62368-1 y EMC garantiza que el dispositivo funcionará dentro de las directrices de las normas de seguridad industrial y empresarial. La fuente de alimentación también ha sido sometida a pruebas de fiabilidad ambiental y mecánica, un factor importante en entornos industriales difíciles. Los módulos de alta eficiencia y densidad energética también pueden conectarse en paralelo para aumentar la potencia y abrir el TBF500 a aplicaciones industriales de mayor potencia. Producto distribuido por Electrónica OLFER.

Autor: Departamento técnico de P-DUKE

Más información