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Fuentes de alimentación y eficiencia energética

A comienzos del siglo XXI, los diseñadores de fuentes de alimentación externas de ordenadores y electrónica de consumo, han tenido presiones legislativas para que sus diseños sean cada vez más eficientes. La búsqueda de la eficiencia surgió por primera vez a raíz de la investigación sobre la energía desperdiciada en los dispositivos eléctricos. A finales de los 90, se estimó que había mil millones de productos funcionando en Estados Unidos que pasaban la mayor parte del tiempo conectados a una toma de corriente. Por razones de coste y simplicidad de diseño, la mayoría de ellas utilizan técnicas de conversión lineal que arrojan eficiencias tan bajas como del 50% cuando están activas y pueden continuar consumiendo cantidades de energía muy significativas (más de 1W por pieza), y cuando no lo está porque fueron diseñadas para funcionar incluso estando inactivas. Los primeros intentos para tratar el problema eran voluntarios, sin embargo, durante la última década se ha endurecido la legislación de forma progresiva, siendo que las normas más estrictas han venido de Estados Unidos (un ejemplo son las normas EISA 2007 que entraron en vigor en febrero del 2016). Las normas EISA 2007 más estrictas corresponden al nivel VI del Sistema de Calificaciones Eficiencia Internacional (IEM), desarrollado bajo el programa ‘Energy Star’ del DoE (Departamento de Energía de los Estados Unidos).

El programa IEM proporciona una buena base para comparar diferentes normas de eficiencia de todo el mundo, ya que además ha sido adoptado por varios países. Por ejemplo, la Unión Europea adoptó un código de conducta en el 2011 que concordaba mucho con las normas de eficiencia de nivel V. Esta norma fue seguida rápidamente del nivel 1 de la Directiva ErP (Energy related Products) que entró en vigor el año pasado. La directiva original se encuadraba en los estándares del nivel IV. Aunque el código de conducta europeo es voluntario, para asegurar que los productos se pueden vender en cualquier mercado, tiene sentido que los fabricantes de productos electrónicos diseñen con el nivel más estricto, ahora el nivel VI. El DoE estima que el efecto acumulativo de remplazar progresivamente los dispositivos antiguos por los que se adaptan a las nuevas normas de eficiencia energética permitirá ahorrar cerca de 93 billones de kilovatios de consumo por hora, así los consumidores serán los primeros beneficiados de todo esto, pues podrán ahorrar un total de 300 millones de dólares por año. Una de las diferencias más importantes entre el nivel V y el nivel VI es que en el último se han introducido normas más estrictas para las condiciones de no carga de las fuentes de alimentación de menor consumo. La alimentación permitida en condiciones de no carga se reduce para las fuentes sub-50W AC/DC de 0,3 W a tan solo 0,1 W. Los fabricantes de fuentes de alimentación indican el cumplimiento de la normativa marcando en la etiqueta reglamentaria del producto el nivel de eficiencia con números romanos. Esto se hace siguiendo el protocolo de marcado de eficiencia internacional para fuentes de alimentación externas (versión 3.0), que proporciona a los consumidores y a los compradores una forma sencilla de comprobar el nivel. El objetivo principal de la directiva europea ErP es hacer frente a las preocupaciones por las fugas de los dispositivos electrónicos que están constantemente enchufados en las casas de los consumidores. Las fuentes de alimentación utilizaban muchos sistemas anteriores a las directivas, aquellas que no fueron diseñadas para para apagarse cuando el sistema se encuentra en reposo y no necesita alimentación.

Estas fuentes de alimentación, sobre todo las fuentes externas DC seguirán funcionando mientras no se desenchufen como si estuvieran alimentando una carga activa. Pueden consumir 1W o más, dando lugar a un consumo de energía significativo que dura todas las horas que el adaptador esté conectado a la toma de corriente. El nivel 1 de las regulaciones europeas determina que desde el 2010 el consumo sin carga no puede ser de más de 0.5W, pero el siguiente nivel, también conocido como nivel V, determinó en 2011 que el límite no podía ser de más de 300 mW para los adaptadores que tienen una producción de menos de 51W. La Comisión Europea también añade una clasificación abarcando los adaptadores utilizados para cargar los móviles, determinando que cuando están en modo activo no pueden consumir más de 8W. A partir del 2014, siguiendo la versión 5 del Código de Conducta de Europa, los suministros tenían que limitar el consumo de carga a menos de 75mW. En los múltiples cambios desde el nivel III al nivel IV, los requisitos de eficiencia en modo activo han aumentado constantemente. Una fuente de alimentación de nivel IV que necesite una carga de más de 51W, hasta un límite de 250W, debe tener al menos un 85% de eficiencia. El nivel V lo elevó al 86%. El nivel VI aprieta los umbrales de rendimiento hasta el 87,5% a las fuentes que funcionan entre 51W y 250W cuando la carga está activa.

El nivel VI también contempla en los requisitos las unidades con mayor energía y que soportan varias tensiones de salida. La situación en lo que respecta al control de las fuentes de alimentación es complicada por el diferente tratamiento que se dan a las unidades de operación directa e indirecta. Las fuentes de operación directa, que están contempladas en los estándares del nivel VI, como aquellas que pueden alimentar un dispositivo electrónico sin baterías montadas. Un dispositivo electrónico accionado por la acción indirecta no funciona sin batería. En Estados Unidos, estas fuentes de alimentación se pueden adecuar a las normas EISA del 2007. Para dar soporte a estas normas que son cada vez más estrictas, los diseñadores de fuentes de alimentación han tenido que utilizar una variedad de técnicas para mejorar la eficiencia. Los resultados se pueden ver en las fuentes de alimentación de los fabricantes como Mean Well, TRACOPOWER y XP Power, también RS Pro. Para personalizar las fuentes de alimentación externas, que serán comunes a las unidades de varias salidas, los diseñadores deben mirar tanto a las mejoras de eficiencia energética, posibles gracias a la posibilidad de las técnicas avanzadas de conmutación, como a la carga de detección para cortar la corriente de salida a un mínimo cuando no se necesita energía.

La inteligencia del adaptador de alimentación es la clave del manejo eficiente de las condiciones sin carga. Una de las técnicas para ahorrar energía en condiciones de baja carga es cambiar a una estrategia de conversión de energía diferente, basado en el umbral. Por encima del umbral, cuando predomina la carga, el convertidor funciona en el modo de conversión normal ‘continuado’. Este modo normalmente implica alguna forma de entrega de modo conmutado de alimentación AC a DC regulada con la modulación de ancho de pulso (PWM). Con la modulación de ancho de pulso, un controlador se encarga del seguimiento de la tensión de salida del convertidor para verificar si todo se mantiene dentro del mismo rango. Como respuesta, el controlador cambia la cantidad de carga permitiendo cada ciclo de conmutación desde la entrada a la salida. La carga depende de la duración del pulso y, en la mayoría de los convertidores (cuando operan con normalidad) los impulsos se generan con una frecuencia constante. Sin embargo, esto puede llevar un exceso de actividad cuando la carga necesita poca o nada de energía. En respuesta, los controladores de conversión de energía como el On Semiconductor NCP1271 introdujeron modos con el nombre de ‘sleep’ o ‘pulse-skipping’.

Así, cuando la actividad de carga se reduce, el descenso en la demanda de corriente hace que el controlador PWM empiece a dejar caer ciclos de impulsos en vez de suministrar un exceso de energía que se desperdiciará. Si la carga se reinicia, la caída de tensión causada por el aumento de energía demandada hace que el modo PWM tome el control. Si la carga permanece quieta, tiene sentido pasar a un modo de ciclo de trabajo bajo. Después de un centenar de ciclos omitidos, el controlador de energía puede pasar a un modo de desconexión que deshabilita la conmutación por completo, reiniciándose una vez que el voltaje de salida muestreado cae por debajo de un límite. La decisión de muchos fabricantes de utilizar USB como conector tanto para la alimentación como para los datos es otra forma de detectar la presencia de una carga activa y de desactivar la alimentación si el dispositivo final está desconectado. Para ir más allá y preparase para una legislación aún más estricta, otra forma de ahorrar energía viene del condensador X que normalmente se ajusta a los adaptadores de CA para descargar la energía como calor de forma segura cuando se quitan de la toma de corriente.

Cuando el adaptador está conectado a la toma CA, el condensador pierde algo de corriente a través de la red de descarga segura. La serie CapZero de Power Integrations se encarga de estas pérdidas desconectando el condensador X de la fuente mientras el adaptador está enchufado, accionando otra vez el condensador cuando se retira la tensión AC. La industria de los componentes ha reaccionado a cada endurecimiento de las regulaciones de eficiencia sin importar qué país lo aplica para poder vender los productos en todo el mundo. El próximo nivel de regulación indudablemente impulsará una nueva ola de innovación. Para ver los adaptadores con nivel de eficiencia energética VI disponibles en RS visite el siguiente enlace: http://es.rs-online.com/web/c/fuentes-de-alimentacion-y-transformadores/fuentes-de-alimentacion-psu/fuente-de-alimentacionenchufable/?# applied-dimensions= 4293390329



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