Las aplicaciones de defensa se encuentran entre las más exigentes del mundo, por lo que no hace falta decir que el diseño satisfactorio de sistemas de potencia para defensa exige una comprensión plena de los complejos requisitos de rendimiento, las pruebas y las condiciones ambientales a las que se someterá el producto previ

Fiabilidad y alto rendimiento
A primera vista, y sobre todo teniendo en cuenta que su función básica de convertir una fuente variable de tensión alterna o continua en una tensión estable de uso es la misma, al observador casual le puede parecer que los productos de fuentes de alimentación utilizados en el sector de defensa pueden parecerse a los utilizados en otros sectores como el industrial y el de las telecomunicaciones, pero dista mucho de ser comparable. Las soluciones de alimentación para los sectores militares deben tener una mayor robustez, durabilidad y deben ser altamente fiables a un nivel quizás superior a cualquier otro. En el sector de la defensa, los equipos de potencia deben funcionar a la perfección en una amplia gama de climas intensos y terrenos difíciles. También deben ser capaces de proporcionar muchos años de servicio con un mantenimiento mínimo.
Por lo general, las fuentes de alimentación militares se fabrican con arreglo a normas muy estrictas y para ofrecer la mejor calidad de rendimiento en entornos de utilización diversos y a menudo difíciles. Estas fuentes de alimentación pueden soportar temperatura ambiente de hasta 80 grados y de hasta -40 grados centígrados. Disponen de rangos de tensión específicos para proporcionar a las diversas aeronaves y vehículos de uso militar que funcionan en los distintos modos operativos. Las fuentes de alimentación pueden soportar vibraciones, golpes y sacudidas considerables, cuyos niveles son mucho más intensos que los que se producen en trenes y aviones comerciales. Así que no nos equivoquemos, el nivel de fiabilidad exigido a los sistemas de fuentes de alimentación es muy alto en los sectores de defensa. Deben funcionar en una amplia gama de temperaturas, así como en condiciones extremas de choque y alto impacto. La mayoría de las unidades de sistemas de alimentación militares cumplen los requisitos MIL-STD y funcionan sin problemas en entornos difíciles.

Singularidad del segmento de mercado militar y de defensa
Debido a la naturaleza de los segmentos de negocio militar y de defensa, que para la mayoría de las aplicaciones finales son clasificados, altamente confidenciales y cubiertos por las regulaciones de protección de secretos comerciales, es muy difícil estimar con precisión el tamaño global del mercado relacionado con las fuentes de alimentación. Sin embargo, las estimaciones de los analistas de mercado, que incluyen baterías, generadores, SAI y fuentes de alimentación, se calcula que rondarán los 8.000 millones de dólares en 2023.
Si nos centramos en las fuentes de alimentación (CA/CC, CC/CC), en su último informe el analista de mercado Micro-Tech Consultants estima que este segmento representa cerca de 3.000 millones de USD. Se compone en un 60% de fuentes diseñadas internamente por los fabricantes de equipos militares (Captive), y en un 40% por el mercado comercial, donde una parte se diseña a medida, basándose en las especificaciones de los clientes, y específica para una aplicación única (Figura 01).

Figura 01 -Ejemplo de una fuente de alimentación personalizada de PRBX diseñada para cumplir requisitos ambientales severos (Fuente: PRBX)

Sin embargo, las soluciones de alimentación personalizadas siguen representando una gran parte de este segmento y, al igual que ha ocurrido en otros segmentos, a la hora de diseñar un nuevo equipo, los fabricantes militares y de defensa están considerando las ventajas de utilizar fuentes de alimentación comerciales y militares disponibles en el mercado (COTS/MOTS) (Figura 02) en las primeras fases de sus proyectos con el fin de reducir costes, asignación de recursos y plazos de comercialización.

Figura 02 - Convertidor CC/CC COTS/MOTS OFD1200A de PRBX para defensa y aplicaciones industriales exigentes (Fuente: PRBX)

En términos de diseño, es decir, soluciones de alimentación personalizadas o estándar, los diseñadores de electrónica de potencia deben tener en cuenta una serie de normas específicas de la industria militar y de defensa, lo que constituye una parte muy interesante del proceso de diseño.

Diseñadas para cumplir normas estrictas
Desde la tierra hasta el espacio exterior, las fuentes de alimentación deben cumplir normas específicas que definan el nivel de robustez necesario para satisfacer el requisito final. Como la gama de aplicaciones es extremadamente amplia, los diseñadores de fuentes de alimentación deben tener en cuenta la norma más adecuada que cubra la amplitud de la aplicación. Las normas especifican todas las posibles condiciones ambientales a las que estará expuesto el equipo final, por ejemplo, temperaturas extremas de -40 a +80 grados centígrados, la necesidad de reducir el ruido debido a requisitos tácticos, golpes y vibraciones derivados de la manipulación, el transporte y los impactos operativos.
Las industrias militar y de defensa utilizan la denominada Norma Militar (MIL-STD) (Figura 03). Esta norma se estableció después de la Segunda Guerra Mundial para proporcionar requisitos estándar uniformes y garantizar la interoperabilidad para el ejército y sus industrias secundarias, centrándose explícitamente en los requisitos técnicos y de ingeniería, procesos, procedimientos, prácticas y métodos. La certificación MIL-STD, utilizada en un principio por las ramas del ejército, representa ahora la capacidad de soportar condiciones extremas y sirve de referencia a otras industrias exigentes. Aunque sería imposible mencionar todas estas normas, podemos enumerar algunos ejemplos de lo que los diseñadores de fuentes de alimentación deben tener en cuenta al diseñar productos para aplicaciones militares y de defensa.

Figura 03 - Las industrias militar y de defensa utilizan la denominada Norma Militar (MIL-STD) (Fuente: PRBX/DoD)

Cuando el silencio es oro MIL-STD-461 es la norma.
El principio básico de una fuente de alimentación es transformar una tensión continua en alterna y luego rectificarla para volver a una tensión continua utilizable. Este proceso se consigue conmutando la tensión continua, un proceso que genera emisiones de radio y ruido conducido. Éstos son muy críticos en aplicaciones de defensa porque podrían detectarse o interferir con sistemas críticos. Para reducir estas perturbaciones, los fabricantes de fuentes de alimentación están aplicando distintas tecnologías, desde la conmutación suave a la cancelación de ruido, o para simplificar, similar a la que se utiliza en los auriculares para escuchar música en entornos ruidosos.
Para garantizar que las fuentes de alimentación no generen altos niveles de ruido conducido o radiado, y también que la propia fuente de alimentación no se vea afectada o dañada por señales externas, debe probarse de acuerdo con MIL-STD-461. Esta norma establece los requisitos de interferencia electromagnética (EMI) y compatibilidad electromagnética (EMC) para fuentes de alimentación militares reforzadas. El cumplimiento de la norma es clave para garantizar el rendimiento satisfactorio de todos los equipos de un sistema. Las pruebas realizadas bajo MIL-STD-461 incluyen: emisiones conducidas ; susceptibilidad conducida ; emisiones radiadas y susceptibilidad radiada.
Dependiendo de la aplicación, por ejemplo, espectro de frecuencias terrestre, aéreo, naval o submarino, el nivel de susceptibilidad y las pruebas pueden variar según se define en las tablas IV y V de la MIL-STD-461 (Figura 04).

Figura 04 - MIL-STD-461 tablas IV y V con la clasificación de las pruebas EMI y EMS en función de las aplicaciones (Fuente: PRBX/DoD MIL-STD-461G)

Alimentación de vehículos militares: la norma MIL-STD-1275
La mayoría de los equipos militares embarcados en vehículos se alimentan con una tensión de BUS de distribución interna de 28V procedente de la batería principal o del generador de potencia, siendo MIL-STD-1275 la norma para el sistema de distribución de potencia en vehículos militares terrestres. Esta norma define los límites de tensión de funcionamiento y las características de tensión transitoria de la fuente de alimentación de 28Vcc a la entrada del equipo de utilización. El sistema de conversión de potencia CC/CC o CC/CA debe poder funcionar cuando esté expuesto a los transitorios de tensión definidos, tanto sobretensiones como picos, y suministrar una potencia limpia y bien regulada a sus cargas. Esta norma cubre todas las posibles perturbaciones a las que se enfrentará la fuente de alimentación durante su funcionamiento, garantizando que siempre cumpla lo prometido.

MIL-STD-810 o las consideraciones de ingeniería medioambiental y pruebas de laboratorio
Introducida por primera vez en junio de 1962, la norma MIL-STD-810 ha pasado por varias revisiones, y en enero de 2019 se publicó su octava versión, MIL-STD810H. MIL-STD-810H describe procedimientos de prueba detallados diseñados para determinar cómo se mantiene el equipo en una variedad de condiciones, como temperatura, impacto, vibración y niveles de humedad que el equipo puede encontrar mientras se usa, transporta y almacena. Aunque MIL-810H es una norma militar, es importante tener en cuenta que muchos productos industriales robustos se prueban según esta norma. MIL STD 810H cuenta con más de 20 métodos de prueba diferentes que van desde la baja presión (altitud) hasta las vibraciones mecánicas de los equipos de a bordo, pasando por el impacto de los disparos y la atmósfera ácida. La mayoría de las fuentes de alimentación no necesitan ser probadas según todos los métodos de prueba, y los diseñadores de fuentes de alimentación seleccionan las partes relevantes para la aplicación final. Algunos de los métodos de ensayo son generales y de uso común, por ejemplo, el método de ensayo 516.8 para choques y el método de ensayo 514.8 para vibraciones. Estas pruebas simulan el efecto de sacudidas, caídas y otras acciones similares que pueden producirse durante el tránsito y las operaciones.

Diseñar pensando en el mercado comercial y militar.
Dado que las fuentes de alimentación COTS/MOTS pueden utilizarse en una gran variedad de aplicaciones, los diseñadores de fuentes de alimentación deben tener en cuenta una amplia gama de aspectos medioambientales.
Varias aplicaciones de defensa requieren que las fuentes de alimentación funcionen con una refrigeración por ventilación limitada, o incluso nula. A este respecto, nos referimos principalmente a las que funcionan en entornos difíciles, donde los equipos electrónicos se instalan en una caja sellada, en sistemas de radiocomunicación sometidos a condiciones meteorológicas adversas, equipos de vigilancia y control de acceso en exteriores y equipos de interior sometidos a restricciones muy estrictas de ruido audible. Además de los requisitos medioambientales, la fiabilidad y el coste de mantenimiento están motivando a los diseñadores de sistemas a no utilizar ventiladores y extractores, y a favorecer la refrigeración por conducción.
La refrigeración por conducción requiere prácticas de construcción muy específicas y las fuentes de alimentación deben diseñarse para garantizar una transferencia de calor óptima de los componentes disipadores a la placa base, con el fin de ofrecer un alto nivel de rendimiento dentro de un rango de temperaturas de funcionamiento casi obsceno, de -40 a +95 grados centígrados en la placa base. En tales aplicaciones, la placa base puede utilizarse para refrigerar la fuente de alimentación cuando funciona en entornos de alta temperatura, pero también para calentarla cuando funciona a bajas temperaturas. De hecho, algunas fuentes de alimentación incluyen un elemento Pelletier alimentado por una pequeña batería y que se utiliza durante la fase de arranque o en condiciones de máxima refrigeración.
Al considerar COTS/MOTS, los clientes suelen exigir que las fuentes de alimentación sean extremadamente flexibles y capaces de alimentar una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, algunas aplicaciones de defensa, como los cargadores de baterías, requieren que la fuente de alimentación suministre una corriente constante, y ésta no sólo debe ser fácilmente ajustable, sino que al mismo tiempo puede requerirse que la fuente de alimentación se utilice para otros fines, por ejemplo, para monitorizar cuando no se está cargando, y para conmutar de corriente constante a tensión constante. A menudo, estos equipos funcionan en entornos que requieren que los componentes electrónicos estén cerrados y protegidos de peligros. Esto requiere que la fuente de alimentación ofrezca un control externo para ajustar la tensión y/o corriente de salida desde el máximo permitido hasta casi cero. Dependiendo del requisito final, estas funciones pueden controlarse mediante un BUS de comunicación analógico o digital. La flexibilidad también es necesaria para aplicaciones que requieren redundancia o para clientes de mayor potencia que requieren que las fuentes de alimentación se diseñen para conectarse en paralelo, donde para mantener una alta eficiencia a menudo se incluye un circuito ORing activo.
Todo ello sin olvidar la necesidad de cumplir los mayores niveles de choque y vibración por encima de los exigidos por las fuentes de alimentación convencionales, y un filtrado EMC altamente eficiente como el especificado por MIL-STD 461E CE102, MIL-STD 1399-300A y MIL-STD 810H.

¡El Puente!
Como se ha mencionado, al beneficiarse de las mejores prácticas para diseñar soluciones de alimentación reforzadas que cumplan las pruebas específicas MIL-STD810H, las fuentes de alimentación COTS/MOTS militares y de defensa están ganando rápidamente el interés de los usuarios finales en aplicaciones industriales exigentes que operan en entornos difíciles. En este artículo no hemos mencionado las aplicaciones extremas, como las expuestas a altos niveles de radiación. Aunque estas aplicaciones podrían considerarse marginales, con el número de centrales nucleares que se están renovando para prolongar su vida útil existe la demanda de desarrollar fuentes de alimentación capaces de soportar la exposición a altos niveles de radiación con una vida útil más larga que la requerida anteriormente. A partir de las investigaciones realizadas sobre fuentes de alimentación militares capaces de soportar altos niveles de radiación y la aplicación de la última generación de semiconductores de banda ancha desarrollados para entornos hostiles, es obvio que las aplicaciones industriales exigentes se beneficiarán de estas investigaciones y de la disponibilidad de fuentes de alimentación COTS/MOTS.
El desarrollo de fuentes de alimentación para industrias militares, de defensa y muy exigentes es un campo muy interesante para que los diseñadores de fuentes de alimentación exploren y descubran nuevas tecnologías que las hagan aún más robustas, versátiles y eficientes energéticamente.
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Referencias:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Consultores Micro-Tech
Informe sobre la industria mundial de fuentes de alimentación conmutadas 2023
http://mtcpower.com/

Para más información
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Póngase en contacto con Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación
+46 (0)158 703 00

Sobre el autor:
Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un experto en comunicación e ingeniero titulado con 40 años de experiencia en el sector de la electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías como la energía digital y en iniciativas técnicas para reducir el consumo de energía. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos libros técnicos y artículos en las principales conferencias internacionales sobre electrónica de potencia. Éstos se han publicado más de 450 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros medioambientales, compartiendo su experiencia y conocimientos sobre energías limpias.