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domingo , junio 7 2020
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Conmutando tensiones y corrientes elevadas con relés montados en PCB

La creciente automatización y electrificación de nuestro día a día provoca un aumento de la demanda de maneras seguras, robustas y eficientes de conmutar cantidades relativamente grandes de potencia. Por ejemplo, los sistemas solares domésticos utilizan relés para controlar el flujo de corriente del consumo local a través de un inversor, almacenarlo en la batería o devolverlo a la red de suministro. Los cargadores de los vehículos eléctricos (VE) utilizan los relés para controlar el flujo de grandes cantidades de energía en las baterías del coche, así como para proteger a los usuarios al implementar mecanismos de recarga “a prueba de fallos” y sistemas de protección ante la fuga de corriente a tierra. Lo que quizá sorprenda es saber cuánta potencia es conmutada por estos relés. Los cargadores de coches “domésticos” pueden trabajar con 7 o 22 kW de corriente alterna (AC), mientras que los “supercargadores” de Tesla están asignados a 250 kW con un cargador DC de elevada tensión. Por ejemplo, el superdeportivo eléctrico Evija de Lotus tiene un paquete de baterías de 800 V que, como afirma el fabricante, ha sido creado para cargar hasta 800 kW.

Esto implica que Lotus tendrá que desarrollar un sistema de entrega de potencia – incluyendo métodos de conmutación idóneos, cables, conectores y funciones de seguridad – que pueda gestionar hasta 1 kA a 800 VDC. Sin duda, esto será todo un reto. El desafío de un diseño de tensión y corriente elevada con DC Este tipo de ingeniería eléctrica conlleva varios desafíos. Al mismo tiempo que los diseñadores intentan entregar más energía eléctrica, también tienen que aumentar la eficiencia al trabajar con tensiones operativas superiores. La operación de mayor tensión reduce las pérdidas IR y el calentamiento I2R provocados por las resistencias en el camino de la corriente. Otras formas de incrementar la eficiencia abarcan el minimizar estas resistencias y el disminuir la impedancia térmica (o eliminar el calor) de los componentes con el objetivo de que no puedan aumentar la temperatura y, como consecuencia, la resistencia. El inconveniente de trabajar con tensiones superiores reside en que sube la fuerza de los campos eléctricos involucrados y esto se puede traducir en la formación de arcos entre los conductores escasamente espaciados.

Por lo tanto, los diseñadores tienen que tener en cuenta dos medidas especiales: creepage, la distancia que un arco puede atravesar sobre una superficie; y clearance, la distancia más corta que un arco puede atravesar a través del aire. Estas figuras varían y dependen de factores como la humedad ambiental y la presión del aire, los estándares relativos a la aplicación (por ejemplo, sanitarios o industriales) y, al menos en el diseño de la PCB, la elección de la placa, del material de la cubierta y la probabilidad de cualquier contaminación de la superficie. En el diseño del relé, las tensiones elevadas pueden producir un arco cuando crece la fuerza del campo eléctrico si los huecos de contacto son estrechos y el aire se ioniza. Este arco puede mermar los contactos al incrementar su resistencia y provocar una interferencia electromagnética (EMI). En el peor de los casos, el arco puede hacer que los contactos del relé se suelden juntos, impidiendo el corte del flujo de corriente sin intervención manual. Esto se traduce en un grave problema de seguridad que hay que solventar.

El relé de alta tensión ideal

El reto para aquellos diseñadores que desean usar relés de alta tensión radica en que, hasta la fecha, muchos de ellos han sido componentes independientes y relativamente grandes, construidos para montarse como una unidad separada con conexiones cableadas a una placa de control. Esto crea unos costes adicionales en términos de soporte de componentes como cargas de conexión y sus terminaciones, sockets, montajes y conectores de tarjeta, así como un procesamiento extra que incluye ensamblaje manual, inspección y test. Y cada interconexión, desde la tarjeta a las cargas, al socket o la conexión de relé supone un problema de fiabilidad potencial. Por consiguiente, el relé de alta tensión ideal debe ser lo suficientemente robusto y compacto para ofrecer una buena densidad de potencia y poder montarse en la PCB. Las distancias (clearances) entre sus contactos (de muy poca resistencia) tienen que cumplir los requisitos técnicos establecidos para suprimir el arco y superar los estándares de seguridad relevantes.

Las distancias de creepage entre las conexiones de la placa del relé deberían ser lo suficientemente largas para satisfacer las necesidades de aislamiento y, al mismo tiempo, respetar los márgenes de diseño de los estándares generales y de aplicación específica. Y los relés tienen que poder conmutar altas tensiones y gestionar corriente elevadas durante largos periodos de tiempo. Los aspectos de seguridad demandan que los relés de alta tensión para montaje en PCB pueden resistir grandes corrientes inrush y de cortocircuito y picos de más de 10 kV. El relé también debería proporcionar un fuerte aislamiento entre el circuito de control y el circuito de carga. Los aspectos medioambientales, por su parte, requieren resistencias de contacto muy bajas para poder minimizar las pérdidas resistivas y también necesitan que las corrientes usadas para mantener los contactos cerrados de los relés normalmente abiertos sean bajas. Finalmente, un relé de alta tensión montado en PCB también debe ser compacto, robusto y fiable. Un componente como el relé HE-V de Panasonic cumple todos estos requisitos. Especialmente diseñado para gestionar cargas DC de elevada potencia, se caracteriza por contactos 2 Form A, conectados en serie, y cargas de hasta 20 A a tensiones de 1.000 VDC.

El diseño de cargador de VE para estaciones de recarga AC

Los cargadores de VE también contribuyen a aumentar la demanda de relés de potencia. Los cargadores públicos y comerciales de menor potencia y los domésticos suministran potencia AC y confían en la electrónica a bordo del vehículo para rectificarla a DC y cargar las baterías. Los vehículos eléctricos con niveles de potencia de unos 50 kW utilizan un alimentador DC del cargador, ya que la rectificación de elevada potencia resulta más eficiente con el cargador off-board. Una carga de batería segura implica el uso de un buen número de relés a la hora de conectar y aislar los vehículos y el cargador, además de garantizar la seguridad al gestionar condiciones potencialmente peligrosas, como fallos de toma de tierra o corrientes de creepage. La mayoría de los relés utilizados en tales cargadores necesitan controlar entre 16 A a 250 VAC y 32 A a 380 VAC en un sistema trifásico. Por razones de seguridad, el principal relé de este circuito tendría que ser un diseño normalmente abierto a prueba de fallo: en caso de que el cargador falle, se corta la corriente al VE. Los fabricantes de relés están incorporando nuevas funciones en sus productos de montaje en PCB que ayudan a los diseñadores a cumplir los estándares y garantizar la seguridad, al mismo tiempo que se minimiza la complejidad. Por ejemplo, el relé Panasonic HE-S posee dos contactos de baja resistencia 2 Form A (single-throw, normally-open) con el hueco de contacto de 3,2 mm requerido para cumplir los requisitos del estándar IEC 61851-11. Se necesita contar con dos relés en un sistema trifásico con una línea neutral.

El relé se puede suministrar con contacto auxiliar conmutado por un actuador separado y, por lo tanto, estar eléctricamente aislado de los contactos principales. Si estos contactos se sueldan juntos, los contactos auxiliares podrán mantener un hueco de 0,5 mm y así conmutar hasta 1 A a 230 VAC. Esto ofrece un medio para que los diseñadores de circuito cuenten con las funciones demandadas para mitigar la soldadura de contacto y mejorar la seguridad del sistema. Con la capacidad de elección de materiales y la toma de decisiones de diseño inteligentes para garantizar la transmisión de grandes cantidades de energía con tensiones elevadas, es posible obtener mejoras en el proceso de integración funcional de los relés, incluso en las circunstancias más desafiantes. Como resultado, los diseñadores disponen de circuitos de control más compactos, económicos y eficientes para satisfacer las necesidades de un creciente número de aplicaciones. Y la ventaja para los clientes reside en la aparición de nuevas alternativas para usar con seguridad la energía eléctrica y aumentar el bienestar y la eficiencia en nuestro día a día… beneficios significativos de un replanteamiento del relé. Si usted tiene previsto incorporar relés de elevada tensión para montaje en PCB en sus sistemas de gestión de potencia, puede descargar un white paper de Panasonic donde aborda cómo integrar estos componentes en los diseños. Y, si lo desea, también puede contactar con nuestros especialistas técnicos (en su mismo idioma) haciendo clic en el botón “Consulte con el Experto – Ask an Expert” para solucionar sus problemas de diseño de la mejor manera posible.



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